Белорусский государственный университет

УТВЕРЖДАЮ

Декан химического факультета

Д.В.Свиридов

(подпись)

(дата утверждения)

Регистрационный № УД-/баз.

«ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА И

САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ СТРУКТУРЫ НА ИХ ОСНОВЕ В

ВОДНЫХ РАСТВОРАХ И ЭМУЛЬСИЯХ»

Учебная программа для специальности 1-31 05 01 Химия (по направлениям) Направление специальности:

1-31 05 01-01 Химия (научно-производственная деятельность) Минск 2011 г.

СОСТАВИТЕЛЬ:

Савицкая Татьяна Александровна, доцент кафедры физической химии Белорусского государственного университета, кандидат химических наук, доцент;

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Кузьменок Нина Михайловна, доцент кафедры органической химии Учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», кандидат химических наук, доцент Цыганкова Надежда Георгиевна, ведущий научный сотрудник Государственного научного учреждения «Научно-исследовательский институт физико-химических проблем», кандидат химических наук

РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОЙ:

Кафедрой физической химии Белорусского государственного университета (протокол № от 2011 г.);

Учебно-методической комиссией химического факультета Белорусского государственного университета (протокол №_ от _2011 г.);

Ответственный за редакцию: Т.А. Савицкая 1. Пояснительная записка 1.1. Характеристика учебной дисциплины, ее роль и место в системе подготовки специалистов, цели и задачи, связь с другими дисциплинами учебного плана Изучение свойств поверхностно-активных веществ (ПАВ) и их водных растворов предусмотрено программой дисциплины «Коллоидная химия», которая в соответствии с современной научной терминологией определяется как физикохимия дисперсных систем и происходящих в них поверхностных явлений. Однако чрезвычайная научная и практическая значимость этой темы диктуют необходимость её боле детального и глубокого рассмотрения в рамках специального курса, тем более, что именно ПАВ позволяют управлять поверхностными явлениями. Этот особый класс органических соединений интересен в первую очередь тем, что, снижая поверхностное натяжение на различных межфазных границах, они, с одной стороны, стабилизируют различные дисперсии, а с другой – сами образуют термодинамически устойчивые дисперсные системы. ПАВ получили широкое распространение в различных отраслях промышленности, поскольку с их помощью можно решать разнообразные задачи от регулирования процессов смачивания, растекания и адгезии до влияния на растворимость и каталитическую активность веществ. В то же время уникальная способность ПАВ к самоорганизации, а также разнообразное фазовое поведение концентрированных систем на основе ПАВ привлекают внимание исследователей как с точки зрения установления закономерностей их структурообразования в растворах, так и познания эволюционных процессов в биологических системах.

Поверхностно-активные вещества характеризуются ярко выраженной способностью адсорбироваться на различных межфазных границах. В рамках данной учебной дисциплины рассматриваются те межфазные границы, когда, по крайней мере, одна из фаз является жидкостью, и процессы, в которых такие границы играют важную роль. Подробно рассматривается процесс самоорганизации ПАВ в мицеллы, бислои и более сложные фазовые структуры. Особое внимание уделено микроэмульсиям, пенообразованию в растворах ПАВ, взаимодействию ПАВ с полимерами, а также химическим реакциям в мицеллярных растворах ПАВ и микроэмульсиях.

Курс дает четкое представление о фундаментальных теоретических и экспериментальных основах этой обширной области знаний в ее современном состоянии. Для освещения новых достижений в области химии ПАВ в программу включен раздел о новых поверхностно-активных веществах. Он содержит сведения о полимеризующихся, димерных и ПАВ с разрушающимися связями. Особого внимания заслуживает раздел, касающийся взаимодействия между ПАВ и полимерами, поскольку именно такое сочетание обеспечивает стабильность и реологические свойства различных систем, как обеспечивающих функционирование живых организмов, так и использующихся для конкретных практических целей.

Целью преподавания специального курса является ознакомление студентов с современным уровнем научных знаний в области ПАВ, принципами их классификации, особенностями самоорганизации в растворах и теоретическими основами разнообразных практических применений.

Задачи изучения дисциплины:

1. Получение студентами фундаментальных теоретических и экспериментальных основ физико-химических знаний в области физикохимии растворов ПАВ, необходимых для обеспечения качественной подготовки студента-химика с университетским образованием;

2. Ознакомление студентов с современными теоретическими представлениями и методами изучения растворов ПАВ, которые позволяют характеризовать дисперсность и фазовое состояние их растворов.

3. Формирование у студентов знания основных закономерностей самоорганизации ПАВ в растворах в широком диапазоне концентраций.

4. Знакомство студентов с интенсивно развивающимися областями исследования ПАВ, такими как взаимодействие с полимерами, микроэмульсии, мицеллярный катализ.

5. Формирование у студентов на основе полученных знаний о лиофильных термодинамически устойчивых дисперсных системах коллоидно-химического восприятия окружающего мира, основанного на знании универсальности коллоидного состояния вещества и молекулярного механизма коллоидных процессов.

6. Выработка у будущих специалистов грамотного подхода к решению теоретических и практических задач в области изучения и применения ПАВ, умелому выбору экспериментальных физико-химических методов исследований, способам обработки полученных результатов измерений, их представлению и использованию для достижения конкретных практических целей.

Дисциплина «Поверхностно-активные вещества и самоорганизующиеся структуры на их основе в водных растворах и эмульсиях» неразрывно связана с дисциплинами «Коллоидная химия», «Органическая химия», «Высокомолекулярные соединения», «Физическая химия».

1.2. Требования к освоению дисциплины в соответствии с образовательными стандартами На основании требований, предусмотренных Образовательным стандартом высшего образования Республики Беларусь специальности 1-31 05 01 Химия (по направлению 1-31 05 01-05 Научно-педагогическая деятельность) к знанию выпускника, усвоившего дисциплину «Коллоидная химия», требования к знанию дисциплины «Поверхностно-активные вещества и самоорганизующиеся структуры на их основе в водных растворах и эмульсиях» должны быть следующими: выпускник должен – основные характеристики и особенности коллоидного состояния вещества, условия образования лиофильных и лиофобных дисперсных систем;

– причины проявления поверхностного натяжения и закономерности адсорбции на различных межфазных границах;

– теоретические особенности мицеллообразования в растворах коллоидных ПАВ и фазового состояния их растворов в широком концентрационном интервале;

– особенности взаимодействия ПАВ с полимерами;

– закономерности образования и свойства микроэмульсий;

– особенности проведения химических реакций в мицеллярных растворах ПАВ и микроэмульсиях;

– новейшие достижения в области физикохимии ПАВ и перспективы их использования для получения новых материалов;

– обработать и проанализировать результаты физико-химического эксперимента;

– использовать экспериментальные методы коллоидной химии для изучения и количественной характеристики дисперсных систем;

– использовать основы учения о дисперсном состоянии вещества, особых свойств поверхностных слоев и поверхностных явлений для объяснения поведения дисперсных систем в научных исследованиях и технологических процессах.

1.3. Распределение аудиторного времени по семестрам и видам занятий Всего Аудиторных Лекции Лабораторные Практические часов

2. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

2.1. Введение в физикохимию поверхностно-активных веществ Лиофильные и лиофобные дисперсные системы. Критерий образования лиофильных дисперсных систем. Амфифильные свойства молекул ПАВ.

Принципы классификации ПАВ. Поверхностное натяжение и адсорбция ПАВ на различных межфазных границах. Самоорганизующиеся структуры на основе ПАВ: поверхностные пленки, мицеллы, жидкокристаллические структуры. Роль ПАВ в улучшении или ухудшении смачивания и растекания.

Воздействие ПАВ на окружающую среду и человека. Скорость биоразложения и структура молекул ПАВ. Защита окружающей среды как стимул поиска новых безопасных ПАВ.

2.2. Мицеллообразование поверхностно-активных веществ Общая характеристика явления. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ). Зависимость ККМ от строения молекул ПАВ.

Влияние температуры и растворенных веществ на ККМ. Зависимость растворимости ПАВ от температуры. Точка и линия Крафта. Движущие силы мицеллообразования и термодинамические модели. Кинетика мицеллообразования. Размер и структура мицелл. Геометрические принципы упаковки мицелл. Полиоксиэтиленовые цепи как гидрофильные части многих ПАВ. Температурная зависимость ККМ и размеров мицелл оксиэтилированных ПАВ. Смешанные мицеллы. Технологическое использование смесей ПАВ. Солюбилизация гидрофобных веществ в мицеллах. Механизм солюбилизации. Термодинамика солюбилизации.

Влияние различных факторов на солюбилизацию. Примеры использования солюбилизации. Агрегирование ПАВ в неводных средах.

2.3. Адсорбционные слои растворимых и нерастворимых ПАВ Типы поверхностных пленок. Двумерное растворение. Поверхностное давление. Изотермы двумерного давления. Методы исследования поверхностных пленок. Весы Ленгмюра. Классификация поверхностных пленок. Газообразные, жидкорастянутые, жидкие, твердые пленки. Пленки Ленгмюра-Блоджетт. Пленки полимеров и белков. Использование поверхностных пленок.

2.4. Фазовое поведение концентрированных систем поверхностноактивных веществ Зависимость типа и размера мицелл от концентрации ПАВ. Зависимость процесса роста мицелл от типа ПАВ. Фазы ПАВ, образующиеся из дискретных или бесконечных самоорганизованных структур. Насыщенные мицеллярные растворы. Структуры жидкокристаллических фаз. Фазовые диаграммы двойных и тройных систем как полезный источник информации.

Фазовое поведение полярных липидов. Жидкокристаллические фазы в неводных средах.

2.5. Свойства смесей ПАВ и высокомолекулярных соединений Индуцированное полимерами агрегирование ПАВ. Модели, описывающие взаимодействие ПАВ и полимеров. Корреляция поведения смесей ПАВ- полимер с фазовым поведением смесей двух полимеров или смесей ПАВ. Дифильность белков. Роль взаимодействий белков с ПАВ.

Поверхностное натяжение и солюбилизация как подтверждение связывания ПАВ с белками. Фазовое разделение растворов смесей ПАВ и белков.

Введение в реологию растворов полимеров и ПАВ. Пенообразование в растворах ПАВ. Влияние полимеров на устойчивость пен.

2.6. Эмульсии и эмульгаторы Высококонцентрированные эмульсии. Механизмы разрушения эмульсий. Теория ДЛФО для эмульсий. Концепция гидрофильнолипофильного баланса (ГЛБ). Подбор эмульгатора методом определения ТИФ. Правило Банкрофта и динамика адсорбции ПАВ. Новые поверхностноактивные вещества. Поверхностно-активные вещества с необычной структурой: димерные ПАВ. Поверхностно-активные вещества с разрушаемыми связями: привлекательность с экологической и других точек зрения. Полимеризующиеся ПАВ и их применение для получения покрытий.

Полимерные ПАВ. Специальные ПАВ для экстремального снижения поверхностного натяжения. Поверхностно-активные полимеры.

2.7. Микроэмульсии Определение и отличие от обычных эмульсий. Фазовое поведение и фазовые диаграммы систем «масло-вода-ПАВ». Влияние ПАВ на микроструктуру микроэмульсий. Образование микроэмульсий в процессах очистки поверхностей от масляных загрязнений. Использование микроэмульсий для повышения нефтеотдачи.

2.8. Коллоидные микрореакторы Капли микроэмульсии как микрореакторы для химических реакций.

Мицеллярный катализ. Микроэмульсии как растворители для органического синтеза. Микроэмульсии как среды для ферментативных реакций.

Применение микроэмульсий для получения наноразмерных латексов.

Получение наночастиц неорганических веществ с помощью микроэмульсий.

Использование жидких кристаллов ПАВ для получения мезопористых материалов.

3. ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Основная:

1. Холмберг К., Йёнсон Б., Кронберг Б., Линдман Б.. Поверхностноактивные вещества и полимеры в водных растворах. М.: Бином.

Лаборатория знаний, 2007, -528 с.

2. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высш.

шк., 2004, - 445 с.

3. Сумм Б.Д. Основы коллоидной химии. М.: Изд. Центр «Академия».

2006, - 240 с.

4. Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностноактивных веществ. Спб.: Химия. 1992.

5. Вережников В.Н. Организованные среды на основе коллоидных поверхностно-активных веществ. Воронеж: Изд.Воронежск.гос.ун-та, 2008, - 74 с.

6. Ланге К.Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ и применение. СПб: Профессия, 2007, - 540 с.

7. Фридрихсберг А.Д. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1995, - 368 с.

8. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.:Химия, 1988,- 464 с.

9. Микроэмульсии: структура и динамика / Пер с англ., под ред.

С. Фриберга и П. Ботореля – М.: Мир, 1990 г.,- 320 с.

10. Миттел К. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии – М.: Мир, 1980 г., - 600 с.

Дополнительная:

1. Абрамзон А.А., Бочаров В.В., Гаевой Г.М. Поверхностно-активные вещества: Справочник Л.:Химия, 1979, - 376 с.

2. Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества: Свойства и применение. Л.: Химия, 1981, - 304 с.

3. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия, 1976, - 230 с.

4. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии К.: Наук. думка, 1975, -512 с.

5. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел. Под ред. Г.

Парфита, К. Рочестера М.:Мир,1986, - с.289- 6. Гельфман М.И.. Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия.

Спб.: Лань, 2003, - 336 с.

ТЕМАТИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ

Вводное занятие. Проведение инструктажа по технике безопасности с проверкой знаний студентов. Демонстрационный эксперимент, иллюстрирующий возможность перемешивания красителей в молоке с помощью ПАВ. Постановка перед студентами задачи: работая в группах (3- человека), объяснить наблюдаемое явление, используя знания о строении молока как коллоидной системы и свойствах растворов ПАВ. Каждая группа представляет отчет в виде небольшой презентации (3-5 слайдов).

2-е занятие. Коллоквиум. Выполнение лабораторной работы.

1. Определение критической концентрации мицеллообразования ПАВ.

2. Солюбилизация красителей в мицеллах ПАВ.

3. Определение числа гидратации мицелл ПАВ вискозиметрическим 4. Построение изотерм поверхностного натяжения ПАВ и ПИВ.

ТЕМАТИКА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

1. Мицеллообразование поверхностно-активных веществ. Фазовое поведение концентрированных систем поверхностно-активных веществ.

Литература Основная: 1,2,3,4,6, 2. Эмульсии и эмульгаторы. Микроэмульсии. Коллоидные микрореакторы.

Литература Основная: 1,4,9,