Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан химического факультета
Д.В.Свиридов
(подпись)
(дата утверждения)
Регистрационный № УД-/баз.
«КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ»
Учебная программа для специальности 1-31 05 01 Химия (по направлениям) Направление специальности:
1-31 05 01-01 Химия (научно-производственная деятельность) 1-31 05 01-02 Химия (научно-педагогическая деятельность) Минск 2011 г.
СОСТАВИТЕЛЬ:
Савицкая Татьяна Александровна, доцент кафедры физической химии Белорусского государственного университета, кандидат химических наук, доцент;РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Шичкова Татьяна Александровна, доцент кафедры физической и коллоидной химии Учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», кандидат химических наук, доцент Круль Леонид Петрович, заведующий кафедрой высокомолекулярных соединений химических наук Учреждения образования «Белорусский государственный университет», доктор химических наук, профессор
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 Цель преподавания курса коллоидной химии – науки о поверхностных явлениях и дисперсных системах – заключается в ознакомлении студентов с основами учения о дисперсном состоянии вещества, особых свойствах поверхностных слоев и поверхностных явлений в дисперсных системах. Курс дает четкое представление о фундаментальных теоретических и экспериментальных основах этой обширной пограничной области знаний в ее современном состоянии. Особое внимание в курсе уделяется универсальному значению дисперсного состояния и роли размерного эффекта в физикохимии дисперсных систем. Кроме того предполагается:
1. Показать важное значение коллоидной химии для развития как химии, так и других естественных наук: биологии, почвоведения, геологии, метеорологии, медицины и др., а также ее многочисленные приложения в технике и сельском хозяйстве.
2. Подчеркнуть необходимость знания основ коллоидной химии для химика любой специальности, поскольку большинство реальных тел в производственных процессах и объектов научных исследований находятся в дисперсном состоянии, а сложные коллоидные системы с многообразными поверхностями раздела (биоколлоиды, биомембраны) играют важную роль в функционировании живых организмов.
Задачи изучения дисциплины:
1. Способствовать формированию у студентов коллоидно-химического восприятия окружающего мира, основанного на знании универсальности коллоидного состояния вещества, молекулярного механизма коллоидных процессов и их количественного описания.
2. Познакомить студентов с важнейшими закономерностями, которым подчиняется поведение гетерогенных дисперсных систем и поверхностные явления в них.
3. Дать представление об экспериментальных методах коллоидной химии, которые позволяют изучать и количественно характеризовать дисперсные системы.
На лабораторных занятиях студентам будет предложено овладеть классическими методами исследования коллоидной химии, к которым относятся различные методы оценки поверхностного натяжения на границе жидкость-газ и жидкостьжидкость, седиментационный анализ, определение удельной поверхности адсорбентов, критической концентрации мицеллообразования ПАВ, порога электролитной коагуляции золей, электрокинетического потенциала и т.п., научиться решать расчетные задачи и сдать два коллоквиума по темам: “Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем”, “Адсорбция на различных межфазных границах”.
Помимо традиционно организованных работ в содержание практикума входят работы исследовательского характера, организованные по принципу кооперативного обучения, который позволяет формировать у студентов навыки работы в команде, умение принимать правильное решение в незнакомой ситуации, развивают чувство ответственности и обеспечивают рефлексивный контакт студента и преподавателя.
Эти работы не входят в число обязательных, их выполнение рекомендуется по желанию студентов и они относятся к работам повышенной сложности. После выполнения такой работы студенты выступают перед группой с отчетом о проведенной работе, который должен быть построен в виде мультимедийной презентации и ли (и) постера. Помимо Методических указаний для студентов такие работы снабжены Инструкцией для преподавателя. Кроме того на лабораторных занятиях предусмотрено проведение демонстрационного эксперимента предварительно подготовленными студентами. Студенты выбираются для проведения демонстрационного эксперимента из расчета 1-2 человека на студенческую группу с учетом их желания. Для организации демонстрационного эксперимента имеются методические указания, а готовится к проведению демонстрационного эксперимента студенты начинают за 1-2 недели до начала лабораторного практикума. Еще одной особенностью проведения лабораторного практикума является то, что на первом занятии студенты своими силами проводят инструктаж по технике безопасности, для организации которого имеются специальные вопросы. Кроме того студентам предлагается Аннотированный практикум, в котором охарактеризованы все лабораторные работы и на первом занятии студентам предоставляется право самим выбрать для себя лабораторную работу.
Темы “Оптические свойства дисперсных систем”, “Аэрозоли, пены, эмульсии”, предназначены для самостоятельного изучения. Темы “Основы физикохимической механики”, «Лиофильные дисперсные системы», «Коллоиднохимические основы охраны окружающей среды» рассматриваются на семинарских занятиях.
Дисциплина «Коллоидная химия» неразрывно связана с дисциплинами «Физика» (разделы: молекулярно-кинетическая теория газов, теория жидкого и твердого состояния, электричество и др.), «Высшая математика» (разделы: методы дифференциального и интегрального исчислений, методы решения дифференциальных уравнений, основы математического анализа и теории вероятности и др.), «Общая химия», «Неорганическая химия», «Аналитическая химия», «Основы информационных технологий», «Физическая химия».
Выпускник университета, усвоивший дисциплину «Коллоидная химия», должен знать:
- основные задачи, положения, постулаты и законы физической химии, их обоснование;
- границы применимости основных законов физической химии, идеализированных моделей и схем;
- условия, необходимые для протекания химических процессов, и факторы, определяющие их направление и скорость;
- основные характеристики и особенности коллоидного состояния вещества, методы получения и очистки дисперсных систем;
- теоретические особенности диффузии, броуновского движения, седиментации и седиментационно-диффузионного равновесия;
- оптические, электрические и реологические свойства дисперсных систем;– основы теории устойчивости дисперсных систем;
- основы таких дисперсных систем, как золи, суспензии, эмульсии, пены аэрозоли;
- новейшие достижения в области коллоидной химии и перспективы их использования для получения новых материалов;
- обработать и проанализировать результаты физико-химического эксперимента;
- использовать экспериментальные методы коллоидной химии для изучения качественной 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.
Учебная программа по дисциплине «Коллоидная химия» составлена на основе требований образовательного стандарта Республики Беларусь для специальности 1-31 05 01 Химия (по направлениям), в соответствии с современным методологическим и научным содержанием коллоидной химии, как отрасли современного научного знания и с учетом опыта её преподавания в ведущих вузах ближнего и дальнего зарубежья.
2. Содержание учебного материала ВВЕДЕНИЕ
Дисперсность и удельная поверхность как основные количественные характеристики дисперсности. Коллоидное состояние вещества.
Различные типы классификации дисперсных систем: по размерам частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды и т.д. Особенности свойств наноразмерных систем. Лиофильные и лиофобные системы; сходство и различия между ними и растворами и дисперсиями высокомолекулярных соединений (ВМС). Поли- и монодисперсные коллоидные системы. Коллоидные кристаллы.
Краткий исторический обзор развития коллоидной химии.
Коллоидная химия как научная основа оптимизации и интенсификации гетерогенных химико-технологических процессов, протекающих с участием дисперсных фаз; значение коллоидной химии для биологии, геологии, медицины и других областей науки, техники и сельского хозяйства. Новые направления и перспективы развития коллоидной химии. Использование принципов зеленой химии при проведении коллоидно-химических процессов в условиях промышленных производств.
Устойчивое развитие, университетское образование для устойчивого развития.
Роль и место коллоидной химии в процессе движения человеческого общества к устойчивому развитию.
ОБРАЗОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Лиофобные дисперсные системы. Диспергационные методы получения дисперсных систем. Связь работы диспергирования с поверхностной энергией твердых тел. Использование эффекта Ребиндера для уменьшения работы диспергирования.Процессы диспергирования в природе, современной технике и химической технологии.
Конденсационные способы получения дисперсных систем. Очистка коллоидных золей: диализ, электродиализ, ультрафильтрация.
Лиофильные коллоидные системы - термодинамически стабильные ультрамикрогетерогенные дисперсные системы. Критерий Ребиндера-Щукина самопроизвольного диспергирования объемных фаз.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ( и ВМС, способные образовывать лиофильные коллоидные системы. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), методы ее определения. Основы термодинамики мицеллообразования; роль гидрофобных взаимодействий; строение мицелл ПАВ; температурная зависимость ККМ, точка Крафта. Солюбилизация (коллоидное растворение органических веществ в прямых мицеллах); микроэмульсии. Солюбилизация в технологических процессах и в биологических системах. Коллоидная химия моющего действия.
Мицеллообразование и солюбилизация в обратных системах.
Коллоидно-химические свойства ВМС.
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ
СИСТЕМ
Универсальность молекулярно-кинетических свойств растворов и дисперсных систем. Теория броуновского движения по Эйнштейну – Смолуховскому, экспериментальная проверка теории Перреном, Сведбергом. Диффузия в коллоидных системах. Уравнение Эйнштейна. Осмотические свойства дисперсных систем и мембранное равновесие, их роль в биологических процессах.Седиментация в дисперсных системах. Седиментационный анализ суспензий и эмульсий. Уравнение Сведберга – Одена. Седиментационно-диффузионное равновесие Перрена – Больцмана; время установления равновесия. Применение центрифуги и улътрацентрифуги (Думанский, Сведберг).
Научно-философское значение исследований молекулярно-кинетических свойств дисперсных систем; доказательство реальности молекул и их теплового движения. Экспериментальное определение числа Авогадро.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ОСОБЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗДЕЛА ФАЗ
Граница раздела фаз, ее силовое поле. Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение) как характеристика этого поля; молекулярное давление. Основы термодинамики поверхностных явлений. Сгущение термодинамических функций в поверхностном слое. Метод избыточных термодинамических функций поверхностного слоя (Гиббс) и метод слоя конечной толщины. Влияние температуры на термодинамические функции поверхностного слоя в чистых однокомпонентных жидкостях на границе с собственным паром.Межфазное натяжение на поверхности раздела насыщенных растворов двух взаимно ограниченно растворимых жидкостей; правило Антонова. Свободная поверхностная энергия твердых тел, специфика проявления. Методы измерения поверхностного натяжения на легкоподвижных границах фаз. Экспериментальное определение поверхностной энергии твердых тел.
Явления капиллярности и смачивания. Установление собственной формы жидкостей. Количественные характеристики смачивания: краевой угол, работа адгезии, теплота смачивания. Закон Юнга. Соотношение между работами когезии и адгезии при смачивании. Избирательное смачивание как метод характеристики поверхностей твердых тел; лиофильные и лиофобные поверхности. Смачивание реальных твердых поверхностей (влияние химических неоднородностей, микрорельефа); гистерезис смачивания. Капиллярное давление. Закон Лапласа. Капиллярное поднятие жидкости, уравнение Жюрена. Зависимость давления насыщенного пара и растворимости от кривизны поверхности раздела сосуществующих фаз; закон Томсона (Кельвина). Капиллярная конденсация. Изотермическая перегонка вещества. Роль капиллярных явлений в промышленности и агротехнике.
АДСОРБЦИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ФАЗ
Адсорбция как самопроизвольное концентрирование на границе раздела фаз компонентов, понижающих поверхностное натяжение. Адсорбционное уравнение Гиббса. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества на разных межфазных границах.Органические поверхностно-активные вещества (ПАВ) с дифильными молекулами; их классификация по молекулярному строению (анионные, катионные, амфолитные, неионогенные, низко- и высокомолекулярные) и по механизму действия (смачиватели, диспергаторы, стабилизаторы, моющие вещества). Представление о гидрофильно-олеофильном балансе молекул ПАВ. Гидрофобные взаимодействия.
Зависимость поверхностного натяжения от концентрации раствора ПАВ. Уравнение Шишковского. Поверхностная активность и ее изменение в гомологических рядах. Работа адсорбции. Теоретическое обоснование правила Траубе-Дюкло.
Уравнение Лэнгмюра, его связь с уравнениями Гиббса, Шишковского и Фрумкина.
Кинетика адсорбции на поверхности раздела раствор ПАВ – газ.
Двухмерное состояние вещества в адсорбционном слое. Слои малорастворимых ПАВ на поверхности воды. Весы Ленгмюра. Двухмерное (поверхностное) давление. Уравнение двухмерного состояния вещества. Изотерма двухмерного давления. Основные типы поверхностных пленок нерастворимых ПАВ: газообразные, жидкорастянутые, жидкие, твердые. Пленки Лэнгмюра-Блоджет как модели организованных структур.
Адсорбция газов на твердой поверхности. Понятие о физической адсорбции и хемосорбции. Работа, теплота и энтропия адсорбции. Изотермы адсорбции газов.
Локализованная адсорбция газов на твердой поверхности по теории Ленгмюра. Потенциальная теория полимолекулярной адсорбции Поляни. Теория БЭТ. Адсорбционные методы определения удельной поверхности адсорбентов.
Особенности адсорбции молекул и ионов из растворов на твердой поверхности. Правило уравнивания полярностей Ребиндера. Модифицирующее действие ПАВ:гидрофилизация и гидрофобизация поверхностей.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Причины образования и строение двойного электрического слоя (ДЭС)на границе раздела фаз. Модели строения ДЭС (теории Гельмгольца-Перрена, ГуиЧепмена, Штерна). Электрокинетический потенциал. Двойной электрический слой частиц гидрофобных золей (мицелл), белков и полиэлектролитов. Строение мицеллы гидрофобного золя. Влияние индифферентных и неиндифферентных электролитов, концентрации и температуры на электрокинетический потенциал. Перезарядка поверхности. Изоэлектрическое состояние в дисперсных системах. Основы ионного обмена; роль обменной адсорбции в почвоведении, при химических способах водоочистки.Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциалы протекания и седиментации. Методы изучения электрокинетических явлений и измерения электрокинетического потенциала. Уравнение Гельмгольца – Смолуховского.
Практическое приложение электрокинетических явлений: осушение грунтов, электрофоретическое осаждение, использование электрохимически активных диафрагм.
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ
Рассеяние и поляризация света в коллоидных системах. Закон Релея и условия его применимости. Поглощение света в дисперсных системах. Применение закона Ламберта – Беера к мутным средам.Нерелеевское рассеяние и поглощение света непроводящими и проводящими частицами. Окраска коллоидных систем; окрашенные коллоиды в природе и технике. Двойное лучепреломление в коллоидных системах.
Нефелометрия и турбидиметрия. Ультрамикроскопия. Применение электронной микроскопии и рентгеновских методов к исследованию коллоидных систем.
УСТОЙЧИВОСТЬ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Агрегативная и седиментационная устойчивость дисперсных систем. Нарушение агрегативной устойчивости вследствие протекания самопроизвольных процессов коагуляции, коалесценции, изотермической перегонки.Основы теории устойчивости гидрофобных золей (теория ДЛФО). Расклинивающее давление по Дерягину. Межмолекулярные взаимодействия в дисперсных системах; молекулярная составляющая расклинивающего давления.
Факторы агрегативной устойчивости лиофобных дисперсных систем. Эффект Марангони – Гиббса (эффективная упругость адсорбционных слоев) как фактор стабилизации пленок, пен и эмульсий. Структурно-механический барьер по Ребиндеру как фактор сильной стабилизации. Стабилизующее действие двойных диффузных слоев ионов;электростатическая составляющая расклинивающего давления.
Золи и суспензии. Коагуляция гидрофобных золей электролитами. Порог коагуляции; правило Щульце-Гарди. Критерий Эйлерса-Корфа. Кинетика быстрой и медленной коагуляции. Зоны устойчивости при перезарядке коллоидных частиц.
Пептизация. Взаимная коагуляция золей. Флокуляция золей полиэлектролитами.
Гетерокоагуляция, адагуляция. Устойчивость и коагуляция золей и суспензий в технологических процессах и в природе.
Пены и эмульсии. Строение и устойчивость, методы получения. Классификация. Пленки как элемент пен и эмульсий. «Черные» пленки. Коалесценция в пенах и эмульсиях. Эмульгаторы и принципы их выбора. Обращение фаз в мульсииях. Применение пен и эмульсий. Методы разрушения пен и эмульсий.
Аэрозоли. Особенности строения и свойств. Устойчивость и разрушение аэрозолей в природе и технике.
КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Зеленая химия и ее основные принципы. Химия окружающей среды. Роль коллоидной химии в охране окружающей среды.Методы разрушения и улавливания аэрозолей. Борьба с загрязнением атмосферы.
Методы очистки природных и сточных вод, основанные на изменении агрегативной и седиментационной устойчивости дисперсных систем. Использование принципов коагуляции и флокуляции. Фильтрование, микрофильтрация и ультрафильтрация. Очистка воды от токсичных загрязнений, растворимых в воде. Использование адсорбции и ионного обмена.
Комплексные способы очистки воды, включающие микробиологическую очистку, гетерокоагуляцию и т.д.
ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ
Понятие о физико-химической механике и ее основных задачах. Основы реологии. Реологические модели; упругость, вязкость, пластичность.Закономерности течения свободно-дисперсных систем под действием приложенного давления. Закон Ньютона. Влияние концентрации и формы частиц дисперсной фазы на закономерности течения (уравнение Эйнштейна).
Структурообразование в дисперсных системах; типы дисперсных структур.
Природа контактов между элементами структуры; прочность дисперсной структуры. Образование и свойства гелей. Коагуляционные структуры; явление тиксотропии. Кристаллизационные структуры.
Реологические свойства дисперсных систем. Описание дисперсных систем на основе реологических моделей (Максвелла, Кельвина, Бингама, Шведова).
Полная реологическая кривая свободнодисперсной системы и дисперсной системы с коагуляционной структурой.
ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Адсорбция из растворов и определение удельной поверхности адсорбентов.2. Определение поверхностного натяжения на границе двух жидкостей.
3. Определение поверхностного натяжения индивидуальных жидкостей различными методами.
4. Определение поверхностной активности и оценка ее изменения в гомологических рядах ПАВ 5. Определение электрокинетического потенциала методом электрофореза.
6. Определение изоэлектрической точки желатины и казеина.
7. Исследование коагуляции лиофобных золей электролитами.
8. Определение концентрации золей нефелометрическим методом.
«