НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Факультет энергетики
Кафедра химии
УТВЕРЖДАЮ
Декан МТФ
А. А. БАТАЕВ
«____»___________2007 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
“Поверхностные явления и дисперсные системы”
направление 251800 (655400) "Энерго - и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии".
специальность 240802 «Основные процессы химических производств и химическая кибернетика»
Квалификация - инженер
Факультет Механико-технологический
Курс 2 семестры 6
Лекции 34 час.
Лабораторные занятия 17 час.
Самостоятельная работа 85 час.
Зачет семестр 6
Всего часов 136
Новосибирск, 2007
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 251800 (655400) "Энерго - и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии", специальность 240802 «Основные процессы химиских производств и химическая кибернетика», раздел СД.8,
Регистрационный № 000 тех\дс от 01.01.2001 .
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры.
Протокол № от “7 “ февраля 2007 г.
Программу разработал
доцент, к. х.н., доцент:
Заведующий кафедрой
профессор, д. т.н.
Ответственный за основную
зав. каф. технологических
процессов и аппаратов,
профессор, д. т.н.
1. ВНЕШНИЕ ТРЕБОВАНИЯ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Направление подготовки дипломированного специалиста 655400 “Энерго - и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии
Квалификация – инженер
1.1. Направление подготовки дипломированного специалиста утверждено приказом Министерства образования Российской Федерации
1.2. Перечень образовательных программ (специальностей), реализуемых в рамках данного направления подготовки дипломированного специалиста:
251800 Основные процессы химических производств и химическая кибернетика;
170500 Машины и аппараты химических производств.
1.3. Требования к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки инженера по направлению 655400 “Энерго - и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии
Таблица 1
Индекс | Наименование дисциплины и ее основные разделы | Всего часов |
СД.09 | Поверхностные явления и дисперсные системы: термодинамика поверхностных явлений; адсорбция, смачивание и капиллярные явления (адсорбция на гладких поверхностях и пористых адсорбентах, капиллярная конденсация); адгезия и смачивание; поверхностно-активные вещества; механизмы образования двойного электрического слоя; электрокинетические явления; устойчивость дисперсных систем (седиментация в дисперсных системах, термодинамические и кинетические факторы агрегативной устойчивости); мицеллообразование; оптические явления в дисперсных системах; системы с жидкой и газообразной дисперсионной средой; золи, суспензии, эмульсии, пены, пасты; структурообразование в коллоидных системах. | 136 |
1.4. Общие требования к образованности инженера.
Инженер:
§ Имеет целостное представление о процессах и явлениях, протекающих в живой и неживой природе;
§ понимает сущность и социальную значимость своей будущей профессии, основные проблемы дисциплин, определяющих конкретную область его деятельности;
§ понимает возможности современных научных методов познания природы и владеет ими на уровне, необходимом для решения задач, имеющих естественнонаучное содержание и возникающих при выполнении профессиональных функций;
§ умеет на научной основе организовать свой труд, в письменной и устной форме логично оформить результаты работы.
§ понимает возможности современных научных методов познания природы и владеет ими на уровне, необходимом для решения задач, естественнонаучного содержания, которые возникают при выполнении профессиональных функций;
§ умеет в письменной и устной форме логично оформить результаты работы;
§ умеет использовать методы изученных им наук для реализации профессиональных функций.
1.5. Требования по циклу естественнонаучных дисциплин
Инженер должен иметь представление о:
§ фундаментальных константах естествознания;
§ физическом, химическом моделировании;
§ физико-химических свойствах различных конструкционных материалов, используемых в разработке и производстве современных технических средств..
Знать и использовать:
§ химическую терминологию и основные законы химии;
§ основы строения вещества, специфические признаки и классификации дисперсных систем;
§ закономерности протекания физико-химических процессов на границе раздела фаз.
Владеть:
§ понятиями химии поверхностей и дисперсных систем, методиками приготовления и стабилизации дисперсных систем,
§ методиками расчетов физико-химических параметров;
§ основной химической аппаратурой и приборами;
§ принципами физико - химических измерений, построения и практического использования градуировочных графиков.
Иметь опыт:
§ в решении типовых задач курса “Поверхностные явления и дисперсные системы”, анализе физико-химических процессов, протекающих в дисперсных системах;
§ в планировании и постановке химического эксперимента, обработке результатов измерений.
§ осуществления технического контроля;
§ анализа научно-технической информации о дисперсной системе и процессе, выделять главное из многообразия информации, формулировать проблему и определять физико-химический метод ее решения.
2. Особенности построения дисциплины
Особенности построения дисциплины описываются в таблице 2
Таблица 2
Особенность (принцип) | Пояснение |
Основание для введения | Стандарт направления 655400 (240802) |
Адресат | Студенты, обучающиеся по направлению 655400 “Энерго - и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии |
Главная цель | Формирование у студентов комплекса представлений об основных законах химии, подготовка к восприятию прикладных специальных дисциплин с использованием категорий курса "Поверхностные явления и дисперсные системы". |
Ядро курса | Учение о поверхностных явлениях, специфические свойства дисперсных систем и их устойчивость. |
Требования к начальной подготовке, необходимые для успешного усвоения дисциплины | Знание курсов общей физики, высшей математики, неорганической, физической и органической химии. |
Уровень требований по сравнению с ГОС | Уровень требований выдерживается в соответствии с ГОС |
Объем в часах | 136 |
Описание основных "точек" контроля | Промежуточный контроль (контрольные работы, домашние задания, собеседование по теории к лабораторным работам). Итоговый контроль (письменный зачет - в отдельных случаях дополнительное собеседование) |
Особая технология организации учебного процесса | Лекция – диалог, собеседование при защите отчета по лабораторным работам, реферата. |
Области применения полученных знаний и умений | Дисциплины химического и технологического профиля (см. табл. 3). |
Характеристики используемых методических материалов. Собственные методические разработки | Используются печатные методические материалы, разработанные и изданные центральными издательствами и в НГТУ. |
Курс “Поверхностные явления и дисперсные системы “ относится к фундаментальным дисциплинам, создающим теоретическую основу для изучения других специальных дисциплин. Междисциплинарные связи курса с другими предметами показаны в табл.3.
Таблица 3
Название учебной дисциплины | Знать | Уметь |
Дисциплины, предшествующие по учебному плану | ||
Высшая математика | Основы дифференциального и интегрального исчисления | Дифференцировать, интегрировать |
Физика | Систему единиц СИ, основные понятия термодинамики, электростатики, оптики | Применять систему СИ, характеризовать явления на основе законов физики |
Неорганическая химия | Основные понятия и термины общей химии: строение атома, химические связи, классы и основные свойства химических веществ, взаимосвязи между выражениями для концентрации вещества. | Характеризовать и классифицировать химические элементы и соединения по химическим свойствам и реакциям, готовить растворы нужной концентрации. |
Органическая химия | Терминологию, основные понятия, законы и принципы органической химии, а также классификацию органических веществ и механизмы типичных реакций между ними. | Характеризовать и классифицировать органические соединения по химическим свойствам и реакциям. Описывать механизмы типичных реакций между органическими соединениями. |
Аналитическая химия | Принципы качественного и количественного химического анализа. | Выполнить качественный анализ вещества и количественные определения методами титрования |
Физическая химия | Терминологию, основные понятия, законы и методы физической химии | Применять методы физической химии к исследованию дисперсных систем |
Последующие дисциплины учебного плана | ||
Физико-химические методы анализа | Основные понятия, законы и методы исследований поверхностей и дисперсных систем | Применять методы курса к исследованиям поверхностей и дисперсных систем |
Специальные дисциплины технологического направления: | Основные понятия, законы и методы исследований поверхностей и дисперсных систем | Применять методы курса к исследованиям поверхностей и дисперсных систем |
Разделы, составляющие ядро курса и распределение часов по темам и основным видам занятий приведено в таблице 4.
Таблица 4
Раздел курса | Лекции | Лабораторные работы |
Введение. Получение дисперсных систем и их специфичные свойства | 4 | 8 |
1. Поверхностные явления | 10 | |
2. Двойной электрический слой и электрокинетические явления | 4 | |
3. Устойчивость и разрушение дисперсных систем | 4 | 4 |
4. Структурно - механические свойства дисперсных систем | 4 | |
5. Отдельные представители дисперсных систем | 8 | 4 |
Итого: | 34 | 16 |
3. Цели учебной дисциплины
Цели учебной дисциплины описываются в таблице 4
Таблица 4
Номерцели | Содержание цели |
Студент будет иметь представление о: | |
1 | структуре, содержании курса и его месте в профессиональной образовательной программе; |
2 | поверхностных явлениях, определяющих поведение дисперсных систем; |
3 | физико-химическом моделировании механизмов стабилизации и разрушения дисперсных систем; |
4 | термодинамике и кинетике процессов, протекающих с участием дисперсных систем (в том числе поверхностных процессов); |
5 | строении и свойствах дисперсных систем, взаимосвязях между ними; |
6 | физико-химических основах методов исследования дисперсных систем; |
7 | принципиальных направлениях использования методов коллоидной химии в решении проблем экологии. |
Студент будет знать: | |
8 | физико-химические свойства поверхности тел, находящихся в различных агрегатных состояниях, сущность явлений, происходящих на границе раздела фаз; |
9 | специфические признаки дисперсных систем, их классификации и методики получения и стабилизации |
10 | возможные механизмы образования двойного электрического слоя на границе раздела фаз; методы измерения и расчета электрокинетического потенциала; |
11 | основные факторы, определяющие устойчивость и коагуляцию свободнодисперсных систем; |
12 | основные факторы, определяющие устойчивость и разрушение структурированных систем; |
13 | физико-химические характеристики отдельных представителей свободнодисперсных систем (золи, суспензии, эмульсии, пены, пасты); |
14 | законы и факторы, определяющие структурирование в дисперсных системах, классификация и свойства структурированных тел. |
Студент будет уметь: | |
15 | классифицировать по физико-химическим характеристикам дисперсные системы, самостоятельно формулируя основания для классификации; |
16 | обоснованно выбирать способы получения, стабилизации и разрушения дисперсных систем; |
17 | обоснованно выбирать методику физико-химического исследования дисперсных систем; |
18 | предсказывать свойства дисперсных систем для конкретных условий; |
19 | оценивать влияние поверхностных явлений на свойства границы раздела фаз и поведение дисперсной системы; |
20 | представлять результаты лабораторных экспериментов по общепринятой в науке и технике форме (в виде таблиц, графиков, функциональных зависимостей) |
4. Содержание курса
Содержание основных разделов курса приводится в таблице 5
Таблица 5
4.1. Темы лекционных занятий | Часы | Цели курса |
Содержание и задачи курса. Общенаучное и практическое значение науки о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Основные понятия. Специфика свойств дисперсных систем. Основные классификации: по дисперсности, агрегатному состоянию, структуре, межфазному взаимо действию | 2 | 1- 4, 7- 9, 13-16 |
Поверхностные явления: адсорбция, адгезия, когезия, смачивание поверхностей. Сравнительная характеристика физической и химической адсорбции. Уравнение Фрейндлиха. Графическое представление адсорбционных зависимостей. Кинетика адсорбции. | 2 | 2, 4, 6 –8,10, 15, 19 |
Термодинамика поверхностных явлений. Объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики для поверхности раздела фаз. Теплота адсорбции. Метод избыточных термодинамических функций поверхностного слоя (Гиббс). Поверхностное натяжение | 2 | 2 -4, 8, 11, 12, 17, 18 |
Капиллярные явления. Капиллярное давление. Законы Лапласа и Томсона. Капиллярная конденсация. Изотермическая перегонка. | 2 | 2, 6, 8 |
Адсорбция на границе раствор - газ. Уравнение адсорбции Гиббса. Поверхностная активность. Адсорбция органических молекул. Правило Траубе. Понятие о ПАВ | 2 | 2, 4, 11, 19 |
Адсорбция на поверхности твердых тел. Уравнение Ленгмюра. Адсорбция электролитов. Правило Пескова-Фанетта-Фаянса. Понятие о многослойной адсорбции. Теория Поляни. Теория БЭТ | 2 | 2, 4, 11, 19 |
Получение дисперсных систем. Строение мицеллы неорганического золя. Оптические явления в дисперсных системах и оптические методы изучения золей. | 1 | 6, 9, 6 |
Молекулярно –кинетические свойства дисперсных систем. Диффузия и броуновское движение в золях. Закон Энштейна. Седиментационно – диффузное равновесие. | 1 | 6, 9, 15, 17 |
Теории строения и модели двойного электрического слоя Гельмгольца, Гуи-Чэпмена, Штерна. Представление Грэма. Изменение потенциала в зависимости от расстояния от поверхности частицы дисперсной фазы. Электрокинетический потенциал. Электрофорез. Потенциал и ток течения. Потенциал седиментации. | 2 | 2, 5–8, 10, 17, 18 |
Агрегативная устойчивость дисперсных систем. Расклинивающее давление. Структурно- механический барьер. Защитные коллоиды. | 2 | 3, 4, 7, 11, 12 |
Коагуляция типично гидрофобных коллоидов. Кинетика коагуляции. Теория быстрой коагуляции (Смолуховский). Теория устойчивости гидрофобных коллоидов ДЛФО. Обратимость коагуляции. Пептизация. | 2 | 4, 7, 11, 12, 18 |
Основы физико-химической механики. Вязкость и упругопластические свойства дисперсных систем. Закон Ньютона. Реологические модели. Уравнение Бингама. | 2 | 5, 9, 12, 14 |
Структурно-механические свойства дисперсных систем. Образование, развитие и разрушение пространственных структур. Коагуляционные структуры. Образование и свойства гелей. Тиксотропия. Кристаллизационные структуры и их механические свойства. | 2 | 3-5, 7, 10 –12, 19 |
Пористые тела. Классификация пор по Дубинину. Теория объемного заполнения микропор | 2 | 5, 9, 12, 14, 18, 20 |
Термодинамика мицеллообразования. ККМ. Факторы мицеллообразования. Строение мицелл ВМС. Молекулярные коллоиды. Моющее действие мыл. | 2 | 15- 19 |
Отдельные представители дисперсных систем: пены, аэрозоли, суспензии, эмульсии. Строение и свойства. Частиц дисперсной фазы. Взаимодействие с растворителем. Основные методы очистки золей. | 4 | 5, 7, 9, 11-14 |
4.2. Содержание лабораторных занятий
Учебные задания, согласованные с целями курса, а также деятельность студента при выполнении лабораторных работ приведены в таблице 6.
Таблица 6
Название | Деятельность студента: | Часы | Цели курса |
Адсорбция из растворов (Лаб. работа № 6 оп.1-2 [4]). Домашняя работа по теме: "Поверхностные явления" .[5]. Тема 3, задание 4 | Выполняет опыты по адсорбции на активированном угле уксусной кислоты из растворов разной концентрации; | 4 | 2, 4, 6 –8, 10, 15, 20 |
Получение дисперсных систем, их обнаружение и очистка. (Лаб. работа №1 [4]). Домашняя работа по теме: "Получение золей" [4]. | Выполняет опыты, связанные с приготовлением золей неорганических веществ и их обнаружением и очисткой электродиализом. | 2 | 2- 4, 7, 8, 10- 12, 17- 19 |
Коагуляция и коллоидная защита. (Лаб. работа №2 [4]). Домашняя работа по теме: "Коагуляция и коллоидная защита" [4]. | Выполняет опыты, связанные с коагуляцией и защитой лиофобных и лиофильных золей. | 2 | 4- 6, 9, 11-14, 17-20 |
Растворы ВМС (Лаб. работа № 4, [4] ). Домашняя работа по теме "Растворы ВМС". [4]. | Измеряет вязкость растворов желатина разной концентрации и оценивает ИЭТ, | 4 | 3-5, 7, 10 –12, 15-19 |
Физико-химические процессы в гелях. (Лаб. работа №3 [4]). Домашняя работа по теме: "Физико-химичес-кие процессы в гелях." [4]. | Выполняет опыты, связанные с набуханием и синерезисом желатинового геля. | 4 | 5, 6, 8, 10, 12, 16 –19, 21 |
5. Учебная деятельность
Виды учебной деятельности и их описание показаны в табл. 7.
Таблица 7
Вид учебной деятельности | Описание учебного задания | Ссылка на цели | Семестр |
Решение задач и ответы на вопросы. | Задание ориентировано на тематику лабораторных работ и служит для проработки теории к отдельным темам курса. (См. также табл. 6). Студент должен сформулировать ответы на вопросы домашних заданий и решить задачи | 2-7, 13-16, 20=25 | 3, 4 |
Выполнение лабораторных работ. | ¨ по жесткой инструкции выполняют опыты, описанные в методической разработке; ¨ оформляют эксперимент на языке символов, графиков и аналитических зависимостей; ¨ представляют результаты эксперимента в удобной форме и обсуждают их с преподавателем. | 2-7, 13-16, 20=25 | 3, 4 |
Контрольные работы по темам: | Включают ответы на теоретические вопросы и решение задач. | ||
поверхностные явления | основные понятия и уравнения адсорбции, адгезии, капиллярной конденсации | 2, 4, 7, 18, 24 | |
специфика дисперсных систем | получение, обнаружение, факторы устойчивости и разрушения дисперсных систем | 3, 4, 8, 11, 19 | |
отдельные представители дисперсных систем | для заданных условий записывают формулу мицеллы неорганического золя, а также поясняют свойства этого золя; понятия об аэрозолях, эмульсиях, порошках, пенах. | 3-7, 9, 10, 20, 22 |
6. Список литературы
Основная литература
1. , , А. Коллоидная химия. М.: Высш. шк., 2004. – 445 с.
2. Жуков химия. Учебное пособие. НГТУ. Новосибирск, 2006, 384 с.
3. Жуков курс физической и коллоидной химии. Части 1 и 2. НГТУ, Новосибирск, Часть 1; 2002, 71 с., часть 2; 2003, 78 с.
4. Жуков и коллоидная химия. Программа, контрольные задания и методические указания. НГТУ, Новосибирск, 2006, 88 с.
6. 2. Дополнительная литература
1. , Лещенко химия. М., 2001, 320 с.
2. и др. Физическая химия. В 2 кн. М.: Высш. школа, 1995
3. Фридрихсберг коллоидной химии. Л.: Химия, 1995. 385 с.
4. Фролов коллоидной химии. Химия, 1989, 462 с.
7. Контролирующие материалы для аттестации
студентов по курсу "Поверхностные явления и дисперсные системы"
Контролирующие материалы включают задания для выполнения текущего контроля (контрольных работ) и комплект итоговых (зачетных по физической химии и экзаменационных по коллоидной химии) контролирующих заданий с паспортом. Все названные материалы собраны в приложении к данной рабочей программе.
Предложите уравнение реакции для получения мицеллы неорганического золя на основе агрегата заданного химического состава (см. табл.4). Объясните выбор реакции. Приведите названия составных частей мицеллы.
Таблица 4.
Исходные данные для представления формулы мицеллы
Вариант | Формула агрегата | Заряд частицы |
1 | CuСO3 | отрицательный (-) |
2 | Al(OН)3, | положительный (+) |
3 | Ba SO4 | + |
4 | CuS | + |
5 | Fe(OH)3 | - |
6 | MnO2 | + |
7 | ZnCO3 | + |
8 | SiO2 | - |
9 | Fe2(CO3)3, | + |
10 | Cr2S3 | - |
11 | Zn SiO3 | - |
12 | Hg3PO4 | + |
13 | AgCl | + |
14 | CuCN | - |
15 | Ag2SO4 | + |
16 | NiCO3 | - |
17 | Cr(OH)3 | - |
18 | Fe SiO3 | - |
19 | Hg2Cl2 | - |
20 | СuCO3 | - |
21 | Ca SiO3 | + |
22 | Fe PO4, | - |
23 | Ag2CO3 | + |
24 | Zn S | - |
25 | Pb3(PO4)2 | - |
Выберите и обоснуйте правильное утверждение.
1. Какие критерии можно использовать для доказательства существования в некоторой химической системе дисперсной фазы:
a. наличие поверхности;
b. повышенную (пониженную) вязкость;
c. повышенную (пониженную) плотность.
2. Самопроизвольным процессом является образование мицеллы:
a. лиофобных золей;
b. лиофильных золей;
c. лиофобных и лиофильных золей.
3. Гели следует получать из растворов реагентов:
d. разбавленных;
e. умеренной концентрации;
f. высококонцентрированных.
4. Величина коэффициента диффузии определяется характеристиками:
а. дисперсионной среды;
b. дисперсной фазы;
с. любых составляющих дисперсной системы.
5. Можно ли броуновское движение отнести к самопроизвольным процессам?
а. Можно.
в. Нельзя
6. Вязкость при увеличении концентрации золя:
a) увеличивается;
b) уменьшается;
с) не меняется.
7. Увеличение внешнего давления на несколько атмосфер соответственно:
a. увеличивает осмотическое давление;
b. уменьшает осмотическое давление;
c. не меняет осмотическое давление.
8. При одинаковых условиях измерений интенсивность рассеянного света выше в случае:
а. лиофильных золей;
в. лиофобных золей;
с. микрогетерогенных систем.
9. Внешние проявления рассеяния света и флуоресценции одинаковы. Эти явления можно различить с помощью дополнительных исследований:
a. дисперсионной среды;
b. дисперсной фазы;
c. излучения.
10. Движущей силой любых поверхностных явлений является стремление системы уменьшить:
a. поверхностную энергию;
b. поверхностное натяжение;
c. полную свободную энергию.
11. Оптимальные условия гидрофобизации поверхности тела достигаются при использовании водных растворов:
a. неорганических веществ;
b. органических веществ.
12. В результате адсорбции поверхностное натяжение:
a. увеличивается;
b. уменьшается.
13. Адсорбция растворенного в воде вещества максимальна на поверхности:
c. гидрофильной;
d. гидрофобной.
14. Природа адсорбционных сил, действие которых предполагается в теориях адсорбции Ленгмюра и Поляни:
а. различается;
b. не различается
15. Двойной электрический слой формируется по адсорбционному
механизму на частицах:
а. лиофобного золя;
в. лиофильного золя
16. Плоскость скольжения находится:
с. в диффузном слое мицеллы;
d. в адсорбционном слое мицеллы.
17. Термодинамической устойчивостью обладают:
а. лиофобные золи;
в. лиофильные золи;
с. микрогетерогенные системы.
18. Факторы стабилизации лиофильных и лиофобных золей:
d. различаются частично;
е. не различаются вовсе.
19. Понятие "коагуляция" применимо в равной мере к разрушению лиофильных и лиофобных золей:
a. да, применимо;
b. нет, не применимо.
20. С помощью теории ДЛФО объяснить механизм разрушения белков:
c. можно;
d. нельзя.
21. Молекулы полимера будут эффективнее повышать относительную вязкость:
а. в воде.
в. в водном растворе индифферентной соли
22. Коллоидно-дисперсные свойства глобулярных белков определяют главным образом:
а. структура молекул и конформационные процессы;
в. значительные размеры и массы молекул;
23. В общей классификации дисперсных систем растворы полуколлоидов следует отнести к:
a. лиофобным золям;
b. лиофильным золям;
c. растворам низкомолекулярных веществ;
d. микрогетерогенным системам.
24. Необходимым и достаточным условием получения устойчивой эмульсии является взаимная нерастворимость образующих ее жидкостей:
a. да;
b. нет.
