МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Южный федеральный университет»
Химический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Декан ______________Цупак Е. Б.
"_____"__________________201_ г.
Рабочая программа дисциплины
«Физико-химия дисперсных систем и наноматериалов»
по направлению подготовки
020300 Химия, физика и механика материалов
Квалификация выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Ростов-на-Дону
2011
1 Цели освоения дисциплины
Курс ставит своей целью сформировать у студентов основные представления о коллоидном (дисперсном) состоянии как универсальном состоянии вещества в окружающем нас мире. Основная особенность дисперсных систем связана с существованием большого избытка энергии, сосредоточенного на поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Именно этот избыток определяет направление и интенсивность физико-химических процессов, протекающих в них. Важную роль играет явление адсорбции, позволяющее при определенных условиях изменить природу поверхности раздела двух контактирующих фаз и, тем самым, целенаправленно влиять на характер их взаимодействия и скорость различных процессов, возникающих в природных и технологических дисперсных системах.
Целями освоения дисциплины «Физико-химия дисперсных систем и наноматериалов» являются формирование и развитие у студентов навыков мышления, ясного и логичного представления о возможностях прогнозирования новых свойств в системах с наноразмерными фазами и поверхностями.
Освоение этого материала закладывает базу для систематизации знаний по химии не только в макросистемах, но и наноразмерных объектов.
2 Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Цикл – профессиональные дисциплины, вариативная часть, курсы вуза, 3 курс, 6 семестр.
Для решения задач, связанных с разработкой и контролем качества материалов в разных областях деятельности, используются достижения в развитии химии, физики, механики, математики и различных инженерных наук.
Студенты, приступающие к изучению курса «Физико-химия дисперсных систем и наноматериалов», должны в результате освоения предшествующих дисциплин знать фундаментальные разделы математики, физики, владеть теоретическими основами общей, неорганической, аналитической и органической химии, химической термодинамики.
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Физико-химия дисперсных систем и наноматериалов»
Профессиональные компетенции (частично) ПК-1–ПК-3 и ПК-8, 15.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
- Знать основные проблемы и перспективы, связанные с областью физико-химии дисперсных систем и поверхностей раздела фаз. Владеть запас сведений в области химии поверхностных явлений и обладать способностью применить приобретенные знания при обсуждении полученных результатов. Уметь использовать знания и навыки в области коллоидной химии для интерпретации, моделирования и прогноза физико-химических свойств широкого круга материалов, а также процессов их получения. Уметь обрабатывать результаты химических экспериментов, связанных с наноразмерными объектами и поверхностями.
4 Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.
№ п/п | Раздел дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) | ||
лекции | лаб. | сам. раб. | |||||
1 | Коллоидное состояние вещества. Классификации, получение и очистка дисперсных систем. | 6 | 1 | 2 | 4 | ||
2 | Термодинамика поверхностного слоя. Поверхностное натяжение. Оценка поверхностного натяжения на границе раздела фаз. | 2 | 2 | 8 | |||
3 | Трехфазные системы. Смачивание, работа когезии и адгезии. Краевой угол. Отличие свойств фаз с искривленными поверхностями. | 3 | 2 | 8 | |||
4 | Основы термодинамики образования дисперсных систем. Устойчивость лиофильных и лиофобных систем. | 4 | 2 | 10 | |||
5 | Адсорбция на границе раздела фаз. | 5 | 2 | 8 | |||
6 | Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. | 6 | 2 | 6 | |||
7 | Строение двойного электрического слоя. Электрокинетические явления. | 7 | 2 | 6 | |||
8 | Оптические свойства дисперсных систем. Методы оценки размера частиц. | 8 | 2 | 6 | |||
9 | Изучение зависимости поверхностного натяжения от концентрации ПАВ в водном растворе. | 9 | 4 | 3 | коллоквиум | ||
10 | Определение знака заряда частиц золя, x-потенциала и влияния электролитов методом электрофореза. | 10 | 4 | 3 | коллоквиум | ||
11 | Оценка размера частиц методом турбидиметрии. | 11 | 4 | 4 | коллоквиум | ||
12 | Исследование коагуляции лиофобных золей электролитами. | 12 | 4 | 4 | коллоквиум | ||
13 | Структурно-механические свойств дисперсных систем. | 6 | |||||
17 | зачет |
5 Образовательные технологии
При проведении лекций и лабораторных работ используются традиционные образовательные технологии. При проведении коллоквиумов применяются групповые дискуссии и разбор конкретных ситуаций, а в рамках лабораторных работ — анализ полученных результатов.
6 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
При самостоятельном изучении некоторых частей и разделов теоретического курса и подготовке к выполнению лабораторных работ кроме основной и дополнительной учебной литературы рекомендуется использовать методические разработки кафедры физической и коллоидной химии химического факультета:
1 Методические указания к лабораторным работам по теме "Оптические свойства дисперсных систем". – Ростов-на-Дону : УПЛ РГУ
2 Методические указания к лабораторным занятиям по коллоидной химии. Части 1, 3-4. – Ростов-на-Дону : УПЛ РГУ
3 Садименко, методы коллоидной химии / , , . – Ростов-на-Дону : Изд. Ростовского университета, 1988. – 160 с. : ил.
Формы контроля при выполнении лабораторных работ
Проведение индивидуального коллоквиума по соответствующей теме перед выполнением лабораторных работ. Проверка умений пользования лабораторным оборудованием, включая вопросы техники безопасности.
Оформление отчета (включая расчеты, графики, таблицы и др.) по выполненной работе и компетентное обсуждение с преподавателем полученных результатов.
Принятие решения о допуске к экзамену по итогам выполненного лабораторного практикума.
Пример плана выполнения и оформления отчета по теме «Изучение зависимости поверхностного натяжения от концентрации ПАВ в водном растворе»:
Работа проводится с эталонной жидкостью (дистиллированная вода) и растворами двух спиртов. Метод исследования – сталагмометрический или максимального давления (Pmax).
Для эталонной жидкости рассчитывается s0 для данной температуры и используется в дальнейшем для определения поверхностного натяжения растворов.
Для эталонной жидкости в методе Pmax находится DP0, а сталагмометрическом – n0 (определения проводятся 2-3 раза до совпадения, или близких значений результатов).
Измерения начинаются с базовой концентрации каждого раствора спирта, из которой разбавлением каждого предыдущего в два раза приготовляются растворы. Последний раствор соответствует той концентрации, при которой DP или n минимально отличаются от DP0 или n0. Например, для сталагмометра это различие соответствует примерно 1-2 капли.
Из экспериментальных данных по соответствующим формулам рассчитывают величины s для всех концентраций и строят графические зависимости (изотермы поверхностного натяжения для двух спиртов) s = f (c). Из графиков (в диапазоне самых малых концентраций) находят поверхностные активности (g). По их величинам проверяется правило Дюкло-Траубе. Используя уравнение Шишковского в форме
, где 
,
по экспериментальным данным строят графики (s0 - s) = f (ln c) и в области линейных зависимостей находят величины G¥ и K для каждого из двух спиртов.
Из найденных констант, используя уравнение Ленгмюра
,
рассчитывают величины адсорбции для всех концентраций и строят графики изотерм адсорбции для каждого из двух спиртов: G = f (c).
Используя G¥, K и r (плотность спирта), рассчитывают размеры молекул спиртов (w0, d) и анализируют полученные результаты.Перечень выносимых на зачет вопросов
1 Определение и основные задачи коллоидной химии.
2 Принципы класcификации дисперсных систем.
3 Методы получения дисперсных систем.
4 Седиментация в дисперсных системах. Седиментационная и дифференциальная кривые. Разделение фракций.
5 Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. Броуновское движение, причины его существования.
6 Седиментационно-диффузионное равновесие. Уравнение Перена-Больцмана. Барометрическая формула Лапласа.
7 Граница раздела фаз, ее силовое поле. Удельная свободная поверхностная энергия.
8 Поверхностное натяжение и энергия взаимодействия молекул (атомов, ионов) в объеме конденсированной фазы. Энергия когезии.
9 Поверхность раздела между конденсированными фазами; межфазное натяжение; работа адгезии.
10 Смачивание твердых тел жидкостями. Уравнение Юнга. Термодинамическое условие смачивания и растекания.
11 Избирательное смачивание. Гидрофильные и гидрофобные поверхности.
12 Капиллярные явления. Закон Лапласа. Роль капиллярных явлений в природе.
13 Закон Томсона (Кельвина). Процессы капиллярной конденсации, изотермической перегонки.
14 Адсорбция из растворов. Уравнение Гиббса.
15 Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества. Изотермы поверхностного натяжения. Поверхностная активность.
16 Уравнение Шишковского. Правило Дюкло-Траубе.
17 Строение адсорбционных слоев ПАВ на границе раздела раствор ПАВ–воздух.
18 Лиофильные дисперсные системы. Мицеллообразование в растворах ПАВ. Строение мицелл лиофильного золя.
19 Фазовые переходы при диспергировании.
20 Устойчивость лиофильных систем. Самопроизвольное диспергирование. Критерий Ребиндера.
21 Относительность понятия поверхностно-активное вещество.
22 Методы измерения поверхностного натяжения на легкоподвижных границах фаз, их классификация.
23 Адсорбция на границе раздела твердое тело–газ. Уравнение Ленгмюра.
24 Адсорбция поверхностно-активных веществ из водных растворов на твердой поверхности. Правило уравнивания полярностей Ребиндера.
25 Адсорбционные методы определения удельной поверхности адсорбента.
26 Управление смачиванием твердых тел. Физико-химические основы флотации.
27 Причины образования двойного электрического слоя на границе раздела твердое тело–раствор электролита. Строение двойного электрического слоя.
28 Электрокинетические явления. Уравнение Гельмгольца-Смолуховского для скорости электрофореза.
29 Электрокинетический потенциал и методы его определения.
30 Влияние электролитов на строение двойного электрического слоя и электрокинетический потенциал.
31 Строение мицеллы лиофобного золя. Перезарядка коллоидных частиц.
32 Образование лиофобных дисперсных систем.
33 Агрегативная и седиментационная устойчивость дисперсных систем.
34 Структурно-механический барьер (по Ребиндеру) как сильный фактор стабилизации дисперсных систем.
35 Коагуляция золей электролитами; порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди. Закон шестой степени заряда Дерягина.
36 Пептизация под действием электролитов.
37 Зоны коагуляции.
38 Структурообразование в дисперсных системах. Природа контактов.
39 Условия образования коагуляционных структур; их механические свойства.
40 Полная реологическая кривая для структур с коагуляционным типом контакта.
41 Тиксотропия; ее роль в природных и технологических процессах.
42 Кристаллизационные структуры. Условия образования и механические свойства и кристаллизационных структур.
43 Оптические свойства дисперсных систем.
44 Методы оценки размера частиц – турбидиметрия и нефелометрия.
7 Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1 Воюцкий, коллоидной химии [Текст] : учебн. для вузов / . – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Химия, 1976. – 512 с.
2 Фридрихсберг, коллоидной химии [Текст] : учебн. для вузов / . – СПб. : Химия, 1995. – 369 с. : ил.
3 Фролов, коллоидной химии [Текст] : учебн. для вузов / . – М. : Альянс, 2004. – 463 с. : ил.
4 Щукин, химия [Текст] : учебн. для вузов / , , . – М. : Высшая школа, 2007. – 444 с. : ил.
б) дополнительная литература:
1 Курс физической химии [Текст] / под общ. ред. Герасимова Я. И. – Том 1. – Издание 2-е испр. / , , и др. М.-Л. : Химия, 1969. – 592 с.
2 Зимон, химия [Текст] : учебн. для вузов / . – 5-е изд. испр. и доп. – М. : Агар, 2007. – 344 с. : ил.
3 Сумм, коллоидной химии [Текст] : учебн. для вузов / . – М. : Академия, 2006. – 239 с. : ил.
4 Шелудко, А. Коллоидная химия [Текст] / Шелудко А. ; пер. с болг. Муллера В. М., Филлипова А. П. ; под ред. Дерягина Б. В., Щукина Е. Д. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Мир, 1984. – 320 с. : ил.
5 Гельфман, химия [Текст] : учебн. для вузов. Специальная литература / , , . – 2-е изд. стер. – Спб. : Лань, 2004. – 336 с. : ил.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1 MS Excel для химиков: Учебно-методическое пособие с диагностико-квалиметрическим обеспечением на модульной основе. - Ростов-на-Дону, 2008. - 48 с. : ил.
2 Веб-сайт кафедры физической и коллоидной химии химического факультета ЮФУ — http://www. physchem. chimfak. rsu. ru/
3 Сайт о химии для химиков XuMuK. ru — http://xumuk. ru/
4 Химический портал в Википедии — открытой энциклопедии — http://ru. wikipedia. org/wiki/Портал:Химия
8 Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лекционные аудитории и дисплейные классы химического факультета ЮФУ, приборы, оборудование, лабораторная посуда, химические реактивы, имеющиеся на кафедре физической и коллоидной химии в рамках практикумов по выполнению лабораторных работ по курсам «Физическая химия» и «Коллоидная химия».
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению подготовки «Химия, физика и механика материалов»
Автор: доцент
Рецензент: ст. преп.
Программа одобрена на заседании УМК химфака ЮФУ
от _14.01.2011 года, протокол № _11.
