Программа

вступительного экзамена в аспирантуру по специальности

02.00.11 «Коллоидная химия и физико-химическая механика»

ВВЕДЕНИЕ

Коллоидная химия и физико-химическая механика входит в цикл

естественно-научных общехимических дисциплин как наука о гетерогенных

дисперсных системах и поверхностных явлениях. Эта дисциплина является

базовой и изучается в седьмом семестре. Общий объем дисциплины 98 часов, в том числе 78 аудиторных часов занятий и 20 часов на самостоятельную внеаудиторную работу абитуриентов. Итоговый контроль проводится в форме экзамена.

Перед изучением коллоидной химии и физико-химической механики абитуриенты должны усвоить неорганическую, органическую, аналитическую и физическую химию (раздел «Химическая термодинамика»), высшую математику и физику в объеме программы МИТХТ.

Цель дисциплины: ознакомление с фундаментальными особенностями ультрадисперсного состояния вещества, способами получения и свойствами дисперсных систем и физикохимией поверхностных явлений, роль которых особенно велика в дисперсных системах.

Задачи: обеспечение абитуриентов необходимой информацией о поверхностных явлениях в гетерогенных системах. Рассмотрение основ термодинамики поверхностных явлений, адгезии, смачивания, адсорбции, электрических явлений на поверхности раздела, агрегативной и седиментационной устойчивости дисперсных систем.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1. Термодинамика поверхностных явлений и адсорбция. Основы термодинамики поверхностного слоя. Основные отличия от свойств объемных фаз. Метод избыточных величин Гиббса. Фундаментальные уравнения Гиббса для гетерогенной системы с плоской границей раздела фаз и для плоского поверхностного слоя.

2. Адсорбция.

2.1. Адсорбция на границе твердое тело-газ. Количественные характеристики адсорбции. Адсорбция как обратимый экзотермический процесс. Интегральная и дифференциальная теплота адсорбции. Физическая адсорбция и хемосорбция. Кривые потенциальной энергии для физической адсорбции и хемосорбции. Природа адсорбционных сил. Уравнение Леннарда-Джонса. Кинетика адсорбции. Динамическое уравнение адсорбции. Уравнение Френкеля. Классические теории адсорбции. Теория Ленгмюра, Поляни, БЭТ.

2.2. Адсорбция на границе раствор-газ. Поведение вещества на границе раствор-газ. Поверхностно-активные, инактивные и неактивные вещества.

Вывод адсорбционного уравнения Гиббса. Переход от изотермы поверхностного натяжения к изотерме адсорбции. Строение адсорбционного слоя ПАВ на границе раствора с газом. Уравнение состояния двумерного газа. Диаграмма состояния поверхностных пленок. Пленки, перенесенные на твердую подложку с поверхности вода-воздух. Уравнение Шишковского, связь уравнения Ленгмюра и Гиббса с помощью уравнения Шишковского.

Правило Траубе и его сущность.

2.3. Адсорбция на границе твердое тело-раствор. Молекулярная адсорбция, ее основные закономерности. Когезия и адгезия. Адгезионное соединение и его количественные характеристики. Условие адгезионного разрушения. Уравнение Дюпре для работы адгезии. Уравнение Дюпре-Юнга.

Правило Антонова. Смачивание и растекание. Уравнение Юнга. Влияние ПАВ на смачивание. Практическое значение смачивания. Обращение правила Траубе при адсорбции из водных и углеводородных растворов.

Правило уравнивания полярностей Ребиндера.

3. Коллоидные поверхностно-активные вещества. Общая характеристика и классификация. Анионные, катионные, неионные и амфолитные ПАВ. Зависимость биоразлагаемости от строения молекул ПАВ.

Мицеллообразование. Методы определения ККМ. Связь ККМ с поверхностной активностью ПАВ. Факторы, влияющие на ККМ.

Зависимость растворимости ионных и неионных ПАВ от температуры. Точка Крафта, температура помутнения и высаливания. Оценка дифильных свойств ПАВ. Гидрофильно-липофильный баланс. Термодинамика образования прямых и обратных мицелл. Строение и полиморфные превращения мицелл ПАВ. Солюбилизация. Основные факторы моющего действия.

4. Образование ионно-стабилизированных дисперсных систем.

Диспергирование. Адсорбционное понижение прочности. Эффект Ребиндера.

Связь прочности с поверхностной энергией. Пептизация. Правило осадков Оствалъда. Конденсация (агрегация). Зависимость размера частиц от интенсивности зародышеобразования, скорости роста кристаллов и конденсации. Строение мицелл. Принцип построения мицелл. Условие самопроизвольного диспергирования.

5. Электроповерхностные свойства дисперсных систем. Причины возникновения заряда поверхности. Связь поверхностного натяжения и потенциала поверхности. Уравнение Липпмана. Строение двойного электрического слоя (ДЭС). Количественная модель диффузной части ДЭС Гуи и Чепмена. Внутренняя часть ДЭС. Модель Штерна.

Электрокинетические явления. Электроосмос, электрофорез, потенциалы течения и седиментации. Электрокинетический потенциал. Влияние валентности и радиуса индифферентного электролита на ДЭС. Перезарядка.

Действие неиндифферентных электролитов на ДЭС. Уравнение ГельмгольцаСмолуховского.

6. Устойчивость и коагуляция дисперсных систем. Седиментационная и агрегативная устойчивость. Расклинивающее давление, его компоненты и термодинамическая трактовка. Устойчивость гидрофобных систем. Природа сил взаимодействия между частицами. Результирующая потенциальная кривая взаимодействия частиц и ее анализ. Коагуляция. Механизм коагуляции электролитами по теории ДЛФО. Концентрационная и нейтрализационная коагуляция. Правила коагуляции электролитами.

Коллоидные агрегаты как фракталъные системы.

7. Оптические свойства дисперсных систем. Взаимодействие света с веществом. Физическая сущность рассеяния света. Рассеяние малыми и большими частицами. Уравнение Рэлея и его анализ. Микроскопия. Предел разрешения микроскопа, формирование изображения в электронном микроскопе просвечивающего типа. Методы препарирования. Принципы темнопольной микроскопии. Щелевой ультрамикроскоп, конденсор темного поля. Поглощение света дисперсными системами. Поправка к закону БугераЛамберта-Бера для золей.

Броуновское движение. Диффузия. 1-ый и 2-ой законы Фика. Уравнение Эйнштейна для диффузии. Уравнение Эйнштейна-Смолуховского.

Диффузионно-седиментационное равновесие. Гипсометрический закон.

Закономерности седиментации в гравитационном и центробежном полях.

9. Физико-химическая механика. Структурно-механические свойства дисперсных систем. Моделирование реологических свойств: идеальные модели Гука, Ньютона, Сен-Венана-Кулона; модели Максвелла, Бингама.

Классификация дисперсных систем по структурно-механическим свойствам.

Оствальда-Вейля. Зависимость вязкости от напряжения сдвига для жидкообразных структурированных систем. Вязкость жидкообразных агрегативно устойчивых дисперсных систем. Уравнение Эйнштейна.

10. Растворы высокомолекулярных соединений. Гибкостъ полимерных цепей. Размеры и форма макроклубка в растворе. Свойства Гауссова клубка.

Термодинамика набухания и растворения полимеров. Разбавленные растворы полимеров и их значение. Коллигативные свойства разбавленных растворов.

растворителю и его критерии. Температура Флори. Структурный критерий деления растворов на разбавленные и концентрированные.

Концентрированные растворы полимеров и их значение.

11. Отдельные представители дисперсных систем: эмульсии, пены, суспензии.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М., Химия, 2002г., 462с.

2. Туторский И.А. Краткий курс коллоидной химии (учебное пособие в 5ти частях), 2004г., М., Издательско-полиграфический центр, Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В.

Ломоносова, 400с.

3. Григорьев Г.А. Поверхностные явления и дисперсные системы (курс лекций), 2005г., М., Издательско-полиграфический центр МИТХТ им.

М.В.Ломоносова, 120с.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. Издание переработанное и дополненное, М., Высшая школа, 2004г., 445с.

2. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. С.-П., Химия, 1995г., 400с.

3. Сумм Е.Д. «Основы коллоидной химии», М., Академия, 2005г., 312с.