Компоненты формируемой компетенции
В результате освоения дисциплины “Коллоидная химия” студент должен:
Знать:
-классификацию дисперсных систем и геометрические параметры поверхности;
-основные положения термодинамики поверхностного слоя (метод избыточных функций Гиббса);
- свойства и основы применения поверхностно-активных веществ (ПАВ);
- закономерности адсорбции ПАВ на различных поверхностях раздела фаз и влиянии адсорбционных слоев на свойства дисперсных систем;
- капиллярные явления и закономерности получения дисперсных систем методами химической и физической конденсации;
- основы теории ДЭС, виды и движущие силы электрокинетических явлений в дисперсных системах;
- основы учения об устойчивости дисперсных систем;
- основы реологии дисперсных систем и растворов ВМС;
- основы коллоидно-химических методов водоподготовки и охраны природы;
Уметь: применять фундаментальные понятия и закономерности физической химии поверхностных явлений и дисперсных систем при обсуждении полученных результатов.
Владеть:
- экспериментальными методами определения размеров частиц в дисперсных системах (турбидиметрия),
- фракционным анализом суспензий (седиментация);
- методами экспериментального изучения адсорбции ПАВ на различных поверхностях раздела фаз;
- вискозиметрическим методом определения средней молекулярной массы полимеров и изоэлектрической точки белков;
- экспериментальными методами определения порога коагуляции гидрофобных золей;
- экспериментальными методами определения электрокинетического потенциала.
5. Структура и содержание дисциплины (модуля) “Коллоидная химия”
Общая трудоемкость дисциплины составляет 120 часов
КАЛЕНДАРНО - ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
Лекций и лабораторных занятий по курсу « Коллоидная химия»
| № | Наименование разделов, тем | Количество часов по учебному плану | ||||
| Максимальная нагрузка студентов (часов) | Аудиторная нагрузка | Самостоятельная работа | ||||
| Всего | В том числе | |||||
| Лекции | Лабораторная работа | |||||
| 1. | Признаки дисперсных систем | – | ||||
| Термодинамика поверхностного слоя | – | |||||
| Адсорбция на границе раствор-газ | 6(работа № 1) | |||||
| Свойства растворов коллоидных ПАВ | – | |||||
| Молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем | 6 (работа № 4, 7) | |||||
| Электроповерхностные свойства дисперсных систем | 6(работа № 5) | |||||
| Адгезия и когезия | – | |||||
| Капиллярные явления | – | |||||
| Диспергирование и конденсация | – | |||||
| Адсорбция на границе твердое тело - газ | – | |||||
| Адсорбция на границе раствор - твердое тело | 6 (работа № 2) | |||||
| Агрегативная устойчивость и коагуляция дисперсных систем | 6 (работа № 3) | |||||
| Вязкость свободнодисперсных систем и растворов ВМС | – | 6 (работа № 6, 6а ) | ||||
| Эмульсии и пены | – | – | – | |||
| Итого |
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1 Признаки дисперсных систем- гетерогенность и дисперсность. Геометрические параметры поверхности – дисперсность и удельная поверхность, взаимосвязь между ними; кривизна поверхности и ее знак. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы; по размерам частиц; лиофильные и лиофобные дисперсные системы; свободно- и связнодисперсные системы. Способы получения дисперсных систем (методы диспергирования и конденсации), очистка коллоидных растворов – диализ и его модификации.
2 Термодинамика поверхностного слоя. Поверхность раздела фаз. Нескомпенсированность сил молекулярного взаимодействия вдоль границы раздела фаз. Пути снижения поверхностной энергии на границе раздела фаз и классификация поверхностных явлений. Запись фундаментальных термодинамических уравнений с учетом поверхностных эффектов. Поверхностное натяжение - энергетическая и силовая трактовки. Метод избыточных функций Гиббса в термодинамике поверхностных явлений и фундаментальное уравнение для поверхностного слоя. Расчет избыточной поверхностной энергии. Зависимость от температуры энергетических параметров поверхностного слоя на границе жидкость-газ. Адсорбция и ее количественные характеристики - абсолютная и избыточная (гиббсовская) адсорбция. Вывод фундаментального адсорбционного уравнения Гиббса.
3 Адсорбция на границе раствор-газ. Характерный вид изотерм поверхностного натяжения растворов. Поверхностно-активные и -инактивные вещества. Органические поверхностно-активные вещества (ПАВ). Зависимость поверхностного натяжения раствора от концентрации ПАВ. Уравнение Шишковского. Использование изотерм поверхностного натяжения и адсорбционного уравнения Гиббса для расчета избыточной адсорбции ПАВ и изотермы адсорбции. Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра как следствие совместного рассмотрения уравнений Гиббса и Шишковского. Взаимосвязь эмпирических параметров уравнения Шишковского с параметрами уравнения Ленгмюра, их определение из опытных данных. Уравнение Фрумкина. Поверхностная активность и ее изменение в гомологических рядах ПАВ. Правило Дюкло-Траубе. Строение поверхностных монослоев растворимых ПАВ и расчет характеристик молекул ПАВ из экспериментальных данных.
4 Свойства растворов коллоидных ПАВ.Строение и размер молекул коллоидных ПАВ. Гидрофильно-липофильный баланс. Классификация и ассортимент ПАВ. Мицеллообразование в растворах коллоидных ПАВ и факторы, влияющие на переход мицеллярной формы в молекулярную и обратно. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), основные методы определения ККМ. Строение прямых и обратных мицелл при различных концентрациях ПАВ. Солюбилизация. Практическое использование мицеллярных растворов коллоидных ПАВ в химии, нефтедобыче, биологии, быту (механизм моющего действия). Экологические последствия попадания синтетических ПАВ в поверхностные воды.
5 Молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем.Седиментационный анализ полидисперсных систем. Закон Стокса и границы его применимости. Закономерности оседания частиц суспензий под действием силы тяжести и расчет их радиусов из экспериментальных данных. Кривая седиментации, уравнение Сведберга – Одена. Предел седиментации и его экспериментальное определение. Использование седиментационной кривой для построения интегральной и дифференциальной кривых распределения частиц суспензии по размерам.
Явления, наблюдающиеся при прохождении света через дисперсные системы. Светорассеяние и светопоглощение, эффект Тиндаля. Уравнение Рэлея, границы его применимости и его анализ. Мутность белых золей и ее экспериментальное определение. Нефелометрия и турбидиметрия. Определение размеров коллоидных частиц белых золей оптическими методами. Эмпирическое уравнение Геллера и методика определения размера частиц на основе спектра мутности. Светорассеяние в природе и его практическое использование.
6 Электроповерхностные свойства дисперсных систем.Образование и модели строения двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Потенциал поверхности. Падение потенциала в пределах диффузной части двойного слоя, уравнение Гуи-Чепмена. Взаимосвязь заряда поверхности с поверхностным натяжением на границе раздела фаз. Уравнение Липпмана. Электрокапиллярные кривые. Электрокинетические явления, граница скольжения и электрокинетический потенциал. Изменение характеристик двойного электрического слоя и величины электрокинетического потенциала под действием индифферентных и неиндифферентных электролитов. Электрофорез, электроосмос, потенциалы седиментации и течения. Уравнение Гельмгольца - Смолуховского. Экспериментальное определение электрокинетического потенциала. Изоэлектрическое состояние в дисперсных системах. Перезарядка поверхности коллоидных частиц, зоны коагуляции. Методы определения изоэлектрической точки. Практические приложения электрокинетических явлений.
7 Адгезия и когезия. Природа сил взаимодействия при когезии и адгезии. Работа когезии и адгезии (уравнение Дюпре). Адгезия на границе твердое тело-жидкость. Смачивание. Угол смачивания (краевой угол) и закон Юнга. Связь работы адгезии с краевым углом (уравнение Дюпре-Юнга). Лиофильность и лиофобность поверхностей. Влияние ПАВ и температуры на угол смачивания. Измерение краевого угла. Влияние шероховатости твердой поверхности на её смачивание. Избирательное смачивание и способы повышения нефтеотдачи нефтеносных сластов. Условия растекания жидкостей. Коэффициент растекания по Гаркинсу. Эффект Марангони. Значение адгезии и смачивания в технике и химической технологии. Флотация и ее разновидности.
8 Капиллярные явления. Влияние кривизны поверхности на внутреннее давление тел. Термодинамический вывод уравнения Лапласа и его частные случаи для поверхностей разной геометрии. Причина капиллярного поднятия жидкости, формула Жюрена. Определение поверхностного натяжения жидкостей по методу наибольшего давления в пузырьке (метод Ребиндера) и капиллярному поднятию. Капиллярность в природе и технике. Зависимость термодинамической реакционной способности твердых и жидких веществ от их дисперсности. Уравнение капиллярной конденсации Кельвина. Влияние дисперсности на растворимость твердых веществ и температуру фазового перехода. Изотермическая перегонка. Использование в технике и химической технологии изменения термодинамических свойств веществ в результате их диспергирования.
9 Диспергирование и конденсация - два способа получения дисперсных систем. Уравнение Ребиндера для работы, совершаемой при дроблении и измельчении макротел, его анализ. Адсорбционное понижение прочности тел - эффект Ребиндера. Конденсационные способы получения дисперсных систем. Гомогенная и гетерогенная конденсация. Термодинамический анализ процесса образования зародышей при гомогенной конденсации из пересыщенного пара, из переохлажденной жидкости, в процессах кристаллизации из растворов, при кипении. Критический радиус зародыша и его взаимосвязь со степенью пересыщения материнской фазы. Методы регулирования размеров частиц в дисперсных системах. Влияние внесенных извне центров конденсации. Примеры получения дисперсных систем методами физической и химической конденсации.
10 Адсорбция на границе твердое тело - газ. Пористые тела - дисперсные системы с твердой дисперсионной средой (активированные угли, силикагели, цеолиты), их классификация и способы получения.Физическая адсорбция и хемосорбция. Природа адсорбционного взаимодействия. Количественное выражение адсорбции и основы экспериментальной методики получения изотерм низкотемпературной адсорбции газов и паров. Основы теории мономолекулярной адсорбции. Уравнение Ленгмюра и его анализ. Модель полимолекулярной адсорбции и уравнение её изотермы по БЭТ и по Арановичу. Вычисление параметров уравнений Ленгмюра, БЭТ, Арановича, а также удельной поверхности адсорбента из экспериментальных данных. Ограничения при проведении расчетов. Явление капиллярной конденсации паров на адсорбентах с переходными порами. Влияние формы пор на капиллярную конденсацию и ход изотерм адсорбции и десорбции. Капиллярно-конденсационный гистерезис. Использование изотермы десорбции для построения интегральной и дифференциальной кривых распределения пор по размерам. Потенциальная теория Поляни. Адсорбционный потенциал. Характеристическая кривая адсорбции и методика ее построения на основе изотермы адсорбции. Температурная инвариантность и аффинность характеристических кривых и практическое использование этих свойств. Особенности адсорбции на микропористых адсорбентах. Молекулярно - ситовой эффект (цеолиты). Теория объемного заполнения микропор Дубинина. Уравнение Дубинина - Радушкевича. Практическое использование адсорбции газов и паров на твердых адсорбентах.
11 Адсорбция на границе раствор - твердое тело.Молекулярная адсорбция из растворов, влияние природы адсорбента, растворителя и растворенного вещества на характер адсорбции. Правило уравнивания полярностей Ребиндера. Ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое. Избирательная адсорбция ПАВ и расчет избыточной адсорбции из экспериментальных данных. Использование уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха для описания изотермы адсорбции. Расчет параметров уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха и удельной поверхности адсорбента.
Адсорбция из растворов электролитов. Ионнообменная адсорбция, ее особенности и практическое применение. Природные и синтетические иониты. Природа ионогенных групп ионитов, их тип и форма. Понятие об ионообменных процессах в почвах. Использование ионного обмена в процессах обессоливания и снижения жесткости природной воды.
Закономерности получения гидрозолей малорастворимых веществ методом химической конденсации и гидролиза, пептизация осадков. Правило Фаянса-Панета. Строение коллоидных мицелл. Получение ультрадисперсных порошков оксидов металлов методом золь-гель технологии.
12 Агрегативная устойчивость и коагуляция дисперсных систем.Виды устойчивости дисперсных систем по Н.П. Пескову. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы. Понятие о расклинивающем давлении и его составляющих. Электростатический, адсорбционно-сольватный, структурно-механический и энтропийный факторы устойчивости. Энергия притяжения между частицами. Основы теории устойчивости лиофобных золей ДЛФО (качественное рассмотрение). Соотношения между силами отталкивания и притяжения коллоидных частиц в зависимости от расстояния между ними. Потенциальные кривые взаимодействия коллоидных частиц. Коагуляция лиофобных дисперсных систем. Кинетика коагуляции. Быстрая и медленная коагуляция. Теория Смолуховского. Коагуляция электролитами, нейтрализационный и концентрационный механизмы коагуляции. Обоснование начала быстрой коагуляции в рамках теории ДЛФО. Порог коагуляции и его экспериментальное определение. Правило Шульце-Гарди и его обоснование в теории ДЛФО для случая коагуляции частиц с высокозаряженной поверхностью. Правило Эйлерса – Корфа для случая коагуляции частиц со слабозаряженной поверхностью. Коагуляция смесью электролитов. Гетерокоагуляция. Методы стабилизации лиофобных дисперсных систем. Коллоидные примеси в природных водах, условия осуществления и особенности коагуляционных процессов при осветлении и обесцвечивании природных и очистке сточных вод. Флокулянты.
13 Вязкость свободнодисперсных систем и растворов ВМС.Уравнение Эйнштейна. Экспериментальное определение вязкости жидкостей с помощью капиллярного вискозиметра. Уравнение Пуазейля. Реологические характеристики растворов полимеров и использование измерений вязкости для определения средней молекулярной массы ВМС. Уравнения Штаудингера, Марка-Куна-Хаувинка и Хаггинса для растворов полимеров. Реологические свойства растворов амфотерных полиэлектролитов - белков. Изоэлектрическая точка белка, ее экспериментальное определение (вискозиметрия, светорассеяние) и практическое использование. Разделение смесей белков методом электрофореза. Структурообразование в дисперсных системах и растворах ВМС. Возникновение и развитие пространственных структур. Природа контактов между элементами структур. Периодические структуры. Образование и строение гелей и студней. Тиксотропия. Явление синерезиса.
14 Эмульсии– классификация и методы получения, стабилизация эмульсий. Пены – получение, их устойчивость, основы пеногашения.