МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Сыктывкарский государственный университет»
Институт естественных наук
Кафедра химии
Учебно-методический комплекс дисциплины
«Коллоидная химия»
Направление
020100.62 «Химия»
Квалификация (степень) выпускника
«бакалавр»
Форма обучения
очная
Сыктывкар 2012
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Сыктывкарский государственный университет»
Институт естественных наук
Кафедра химии
УТВЕРЖДЕНО
На заседании учебно-методической комиссии ИЕН
«_3_» сентября 2012 г.
Протокол № 1
Председатель УМК
___________
Рабочая программа
дисциплины «Коллоидная химия»
Направление
020100.62 «Химия»
Квалификация (степень) выпускника
«бакалавр»
Форма обучения
очная
Блок дисциплин Б3.В4
Семестр: 8
Всего учебных занятий: 180 часов, 5 зачетных единиц.
В том числе:
Аудиторных: 64 часа, 2 зачетные единицы, из них:
Лекций: 32 часа, 1 зачетная единица.
Лабораторных занятий: 32 часа, 1 зачетная единица.
Самостоятельная работа студентов: 74 часа, 2 зачетные единицы
Занятия, проводимые в интерактивной и активной форме – 18 час.
Контроль самостоятельной работы – 6 час.
Текущий контроль: контрольная работа (1)
Промежуточный контроль: экзамен
Сыктывкар 2012
Лист согласования и утверждения рабочей программы
Рабочая программа составлена на основании ФГОС ВПО, в соответствии с целями (миссией) и задачами ООП ВПО и учебного плана
по направлению 020100.62 «Химия»
Составители УМК
доцент кафедры химии, к. х.н. ____________
(подпись)
Сведения о рецензентах:
Должность, звание_____________ Ф. И.О
подпись
Рабочая программа рассмотрена и одобрена
на заседании кафедры химии
Протокол заседания № 1 от « 31 » августа 2012 г.
Заведующий кафедрой
к. х.н. ____________
(подпись)
1. Цели освоения дисциплины (модуля)
Коллоидная химия или физическая химия поверхностных явлений и дисперсных систем является завершающей фундаментальной дисциплиной физико-химического цикла учебного плана направления «Химия».
Поверхностные явления являются неотъемлемым свойством всякой гетерогенной системы, но определяющую роль они играют при наличии высокоразвитой поверхности раздела фаз, когда одна из контактирующих конденсированных фаз (ее называют дисперсной) представлена в виде мелких твердых частиц, капель, волокон, пленок или пронизана множеством пор или капилляров. Таким образом, коллоидная химия изучает специфические свойства вещества, находящегося в дисперсном состоянии, которое является промежуточным между состоянием вещества в форме макрофазы и его отдельной молекулой или атомом.
Подавляющее число окружающих нас тел, природных и искусственных материалов в той или иной степени являются объектами изучения коллоидной химии, что делает постижение теоретических и практических закономерностей этой науки обязательным элементом профессионального образования химика.
В настоящее время значимость коллоидной химии и ее экспериментальных методов резко возросла в связи с бурным развитием нанотехнологий, включающих в себя как химическую модификацию поверхности, так и получение устойчивых дисперсных систем с наноразмерными частицами, которые в свою очередь являются структурными элементами новых наноматериалов.
Курс коллоидной химии включает в себя лекционный материал в соответствии с обязательным минимумом содержания образовательной программы, лабораторный практикум, а также индивидуальную контрольную работу.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Курс “Коллоидная химия” входит в вариативную часть профессионального (специального) цикла дисциплин Б3.В4. Он логически и методически связан с фундаментальным курсом «Физическая химия» и дисциплинами «Математика» и «Физика» математического и естественнонаучного цикла и необходим для успешного освоения теоретических основ современных нанотехнологий и получения новых материалов.
Студенты, изучающие дисциплину “Коллоидная химия”, должны иметь базовые знания по математике и физике в пределах цикла дисциплин Б2.Б и химической термодинамики из курса «Физическая химия» - цикл дисциплин Б3.Б.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля) “Коллоидная химия”
В результате освоения дисциплины “Коллоидная химия” формируются части профессиональных компетенций ПК-2 и ПК-3 :
- имеет представление об особых свойствах поверхностей раздела фаз и дисперсных систем (ПК-2);
- способен применять фундаментальные понятия и закономерности физической химии поверхностных явлений и дисперсных систем при обсуждении полученных результатов (ПК-3);
4. 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 5 зачетных единиц, 180 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 | Лабораторный практикум | |||||
1. | Признаки дисперсных систем | 4 | 2 | 2 | – | 2 |
2 | Термодинамика поверхностного слоя | 6 | 3 | 3 | – | 3 |
3 | Адсорбция на границе раствор-газ | 18 | 9 | 3 | 6(работа № 1) | 9 |
4 | Свойства растворов коллоидных ПАВ | 4 | 2 | 2 | – | 2 |
5 | Молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем | 16 | 7 | 2 | 5 (работа № 4, 7) | 9 |
6 | Электроповерхностные свойства дисперсных систем | 9 | 6 | 2 | 4(работа № 5) | 3 |
7 | Адгезия и когезия | 6 | 3 | 3 | – | 3 |
8 | Капиллярные явления | 6 | 3 | 3 | – | 3 |
9 | Диспергирование и конденсация | 6 | 3 | 3 | – | 3 |
10 | Адсорбция на границе твердое тело - газ | 10 | 4 | 4 | – | 6 |
11 | Адсорбция на границе раствор - твердое тело | 12 | 7 | 2 | 5 (работа № 2) | 5 |
12 | Агрегативная устойчивость и коагуляция дисперсных систем | 18 | 9 | 3 | 6 (работа № 3) | 9 |
13 | Вязкость свободнодисперсных систем и растворов ВМС | 12 | 6 | – | 6(работа № 6, 6а ) | 6 |
14 | Эмульсии и пены | 3 | - | – | – | 3 |
Итого | 138 | 64 | 32 | 32 | 74 | |
Вид текущего и итогового семестрового контроля | экзамен | Контрольная работа |
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 . 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.
6. Образовательные технологии
При реализации дисциплины “Коллоидная химия” на занятиях лекционного типа предусмотрены следующие интерактивные формы обучения в образовательном процессе:
- презентации;
- обучающие компьютерные программы по профилю подготовки.
- учебные дискуссии на заданную тему.
Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, составляет не менее 30 % лекционных занятий (10 часов).
7. Самостоятельная работа студентов
Рабочей программой дисциплины “Коллоидная химия” предусмотрена самостоятельная работа студентов в объеме 56 часов. Самостоятельная работа проводится с целью углубления и расширения знаний по дисциплине и предусматривает следующие виды внеаудиторной работы студентов:
- работа с рекомендованной литературой и с Интернет - источниками с целью усвоения теоретического материала дисциплины;
- подготовка к лабораторным занятиям в соответствии с их тематикой, оформление отчета, решение обучающих задач, ответы на контрольные вопросы;
– выполнение индивидуальной контрольной работы;
– подготовка к экзамену.
Тематика вопросов, выносимых на самостоятельное изучение, определяется по мере прохождения учебной программы и предусматривает рекомендацию преподавателем учебников из списка рекомендуемой литературы с указанием конкретных разделов, глав и параграфов, необходимых для успешного освоения учебного материала и составления краткого конспекта.
8. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Индивидуальная контрольная работа
Задачник: Расчеты и задачи по коллоидной химии /под редакцией . - М.: Высшая школа, 1989.– 288 с.
1 Обработка результатов полимолекулярной адсорбции газов и паров на твердом адсорбенте по методу БЭТ и Арановича ( задачи II. 4.1 – II 4.19 , с 44-46).
2 Определение предельного адсорбционного объема адсорбента по изотерме адсорбции, использование характеристической кривой для построения изотермы адсорбции при разных температурах ( задачи II.– II. 4. 34, с.
3 Построение кривой капиллярной конденсации, интегральной и дифференциальной кривых распределения объема пор адсорбента по радиусам ( задачи II.– II. 4. 53,
с.
4 Расчет и построение интегральной и дифференциальной кривых распределения объема пор по радиусам по данным порограмм ( задачи II. 4.54 – II. 4. 68, с.
5 Проверка теории быстрой коагуляции на основе опытных данных ( задачи VI. – VI. 11. 46, с.
ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ (ПК-2)
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. Примеры.
2 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.
3 Адсорбция и ее количественные характеристики - абсолютная и избыточная (гиббсовская) адсорбция. Вывод фундаментального адсорбционного уравнения Гиббса.
4 Характерный вид изотерм поверхностного натяжения растворов. Поверхностно-активные и - инактивные вещества. Органические поверхностно-активные вещества (ПАВ). Использование изотерм поверхностного натяжения и адсорбционного уравнения Гиббса для расчета избыточной адсорбции ПАВ и изотермы адсорбции на границе водный раствор ПАВ – воздух. Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра. 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.
5 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 и их расчет из экспериментальных данных.
6 Строение и размер молекул коллоидных ПАВ. Гидрофильно-липофильный баланс. Классификация и ассортимент ПАВ. Мицеллообразование в растворах коллоидных ПАВ. 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.
7 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.
8 Светорассеяние и светопоглощение, эффект Тиндаля. Уравнение Рэлея, границы его применимости и его анализ. Мутность 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.
9 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.
10 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. Практическое использование электрокинетических явлений.
11 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. Условия растекания жидкостей.
12 Флотация и ее разновидности.
13 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.
14 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.
15 Конденсационные способы получения дисперсных систем. Гомогенная и гетерогенная конденсация. Термодинамический анализ процесса образования зародышей при гомогенной конденсации из пересыщенного пара, из переохлажденной жидкости. 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.
16 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.
17 Основы экспериментальной методики получения изотерм низкотемпературной адсорбции газов и паров на твердых адсорбентах и количественное выражение адсорбции. Модель полимолекулярной адсорбции и уравнение её изотермы по БЭТ и по Арановичу. Вычисление параметров уравнений БЭТ, Арановича, а также удельной поверхности адсорбента из экспериментальных данных. Ограничения при проведении расчетов.
18 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.
19 Потенциальная теория Поляни. Адсорбционный потенциал. Методика построения характеристической кривой на основе изотермы адсорбции на границе твердый адсорбент – газ. Температурная инвариантность и аффинность характеристических кривых и практическое использование этих свойств. Особенности адсорбции на микропористых адсорбентах. Теория объемного заполнения микропор Дубинина. Уравнение Дубинина - Радушкевича. Практическое использование адсорбции газов и паров на твердых адсорбентах.
20 Избирательная адсорбция ПАВ из растворов на твердом адсорбенте и расчет избыточной адсорбции из экспериментальных данных. Ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое. Использование уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха для описания изотермы адсорбции. Расчет параметров уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха и удельной поверхности твердого адсорбента.
21 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.
22 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.
23 Виды устойчивости дисперсных систем. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы. Понятие о расклинивающем давлении и его составляющих. Электростатический, адсорбционно-сольватный, структурно-механический и энтропийный факторы устойчивости. 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.
24 Обоснование начала быстрой коагуляции лиофобных золей в рамках теории ДЛФО. Коагуляция электролитами, нейтрализационный и концентрационный механизмы коагуляции. Порог коагуляции и его экспериментальное определение. Правило Шульце-Гарди и его обоснование в теории ДЛФО. Гетерокоагуляция. Коллоидные примеси в природных водах, условия осуществления и особенности коагуляционных процессов при осветлении и обесцвечивании природных и очистке сточных вод. Флокулянты.
25 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.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля) “Коллоидная химия”
Основная литература:
1 Фролов коллоидной химии. - М.: Химия. I изд.-1982; II изд-19с.
2 Фридрихсберг коллоидной химии. - СПб.: Химия, II изд.-1984, III изд.-19с.
3 , , Амелина химия. - М.: изд. МГУ, 1982.или М.: Высшая школа, 2004.
4 Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии /под ред. , . - М.: Химия, 1986.
5 , , Лабораторный практикум по коллоидной химии.
Дополнительная литература:
6 Сумм коллоидной химии. - М.: Изд центр Академия, 20с.
7 Воюцкий коллоидной химии. - М.: Химия, 19с.
8 Зимон химия. - М.: Агар, 20с.
9 Физическая химия поверхностей. - М.: Мир, 1979.
10 Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 19с.
11 , Колосенцев . Л.: Химия, 19с.
12 , , Юстратов химия. СПб.: Лань, 20с.
13 Расчеты и задачи по коллоидной химии /под редакцией . - М.: Высшая школа,1989.
14 Практикум и задачник по коллоидной химии: поверхностные явления и дисперсные системы. / Под ред. и . – М.: ИКЦ «Академкнига», 20с.
15 Практикум по коллоидной химии /под редакцией . - М.: Высшая школа,1983.
16 Практикум по коллоидной химии /под редакцией . - СПб.: Лань, 20с.
17 Шершавина задания по коллоидной химии. Минск : Новое знание, 20с.
18 , Иванова и методы коллоидной химии в нанохимии. // Успехи химии. _ 2000. _ Т. 69. _ № 11. _ С. .
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
«Коллоидная химия»
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ
(Теоретические введения к лабораторным работам, требуемые химические реактивы, оборудование и лабораторная посуда, описания методик проведения эксперимента и его обработки, контрольные вопросы и обучающие задачи представлены в «Лабораторном практикуме по коллоидной химии»)
РАБОТА № 1
“Исследование связи между поверхностным натяжением и адсорбцией на границе раствор ПАВ - воздух, определение параметров уравнений Ленгмюра и Шишковского и характеристик адсорбционного слоя. Проверка выполнения правила Дюкло-Траубе ”
РАБОТА № 2
“Изучение адсорбции ПАВ из растворов на твердом адсорбенте и определение его удельной поверхности. Применение уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха для описания адсорбции органических кислот на активированном угле ”
РАБОТА № 3
“Синтез гидрозоля гидроксида железа, изучение его коагуляции электролитами и стабилизации водорастворимыми коллоидными ПАВ и ВМС. Проверка выполнения правила Шульце-Гарди ”
РАБОТА № 4
“Турбидиметрическое определение размеров частиц дисперсных систем, подчиняющихся закону Релея (мицеллярные растворы коллоидных ПАВ (олеат натрия)) и не подчиняющихся закону Релея – метод спектра мутности (гидрозоль канифоли, полистирольный латекс) ”
РАБОТА № 5
“Определение электрокинетического потенциала золя методом макроэлектрофореза”
РАБОТА № 6 , 6а
“Определение средней молекулярной массы ВМС по вязкости их растворов” “Определение изоэлектрической точки белка по зависимости вязкости и мутности его растворов от рН среды”
РАБОТА № 7
“Седиментационный анализ суспензий методом непрерывного взвешивания осадка”
КАРТА ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ЛИТЕРАТУРОЙ
Дисциплины «Коллоидная химия»
По направлению 020100.62 - Химия
Институт естественных наук
Форма обучения - дневная
Блок дисциплин Б3.В 4
Число студентов | Список литературы | Количество экземпляров | Количество экземпляров на 1 студента |
20 | Основная литература: 1 , , Амелина химия. М.: Юрайт, 2012. Дополнительная литература: 1. Сумм коллоидной химии. М. : Академия, 20с. Словари, справочники, энциклопедии: Краткий справочник физико-химических величин / под ред. и . Л.: Химия, 19с. | 10 1 1 | 0.5 |
Составитель, доцент ______________
Зав. кафедрой химии ____________
СОГЛАСОВАНО:
Представитель библиотеки СыктГУ ____________________
«___»________20__ г.
