Поверхностные явления и дисперсные системы (стр. 1 )

Учреждение образования «Белорусский государственный

технологический университет»

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе БГТУ

________________

Регистрационный № УД - /р.

Поверхностные явления и дисперсные системы

Учебная программа для специальностей:

1-48 02 01 Биотехнология

1-57 01 03 Биоэкология

1-48-01-02 Химическая технология органических веществ,
материалов и изделий

Факультет химической технологии и техники

Кафедра физической и коллоидной химии

Курс - 3

Семестр - 5

Лекции - 34 часа

Лабораторные занятия - 34 часа Экзамен 5 семестр

Всего аудиторных часов

по дисциплине – 68 часов

Всего часов Форма получения

по дисциплине - 148 часов высшего образования дневная

2009 г.

Учебная программа составлена на основе типовой программы «Поверхностные явления и дисперсные системы» для химико-технологических специальностей ВУЗов, утвержденной г., регистрационный №

Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры физической и коллоидной химии учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет» г.,

(протокол № ).

Заведующий кафедрой

к. х.н. доц.______________

Составитель к. т.н. доц.

______________

Одобрена и рекомендована к утверждению методической комиссией факультета ХТиТ

" " 2009 г.

Председатель методической комиссии

_____________

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Курс «Поверхностные явления и дисперсные системы» ставит своей целью ознакомление студентов с основами учения о дисперсном состоянии вещества, особых свойствах поверхностных слоев и о поверхностных явлениях в дисперсных системах. Универсальность раздробленного, и, особенно, микро - и нанодисперсного состояния вещества определяет широкий круг объектов коллоидной химии. Сюда относятся самые разнообразные тела в живой и неживой природе (почвы и горные породы, ткани растений и животных) и объекты химических производств (конструкционные и строительные материалы, пища и одежда, всевозможные технологические эмульсии, суспензии, пасты и т. д.).

Курс состоит из двух разделов. В первом разделе рассматриваются теоретические основы поверхностных явлений: закономерности и механизм их протекания, количественное описание этих процессов на молекулярном уровне. Такие поверхностные явления как адсорбция и адгезия, смачивание и растекание, капиллярные и электрические явления, широко используются в химической промышленности, либо сопровождают многие технологические процессы. Поэтому наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах является одной из теоретических основ химической технологии.

Определяющее значение поверхностные явления приобретают в дисперсных системах, обладающих наиболее развитой поверхностью или границей раздела фаз. Поэтому во втором разделе курса рассматриваются дисперсные системы и их свойства.

Химики-технологи сталкиваются с разнообразными дисперсными сис-темами на всех стадиях технологии, например, при измельчении сырья и промежуточных продуктов, при обогащении, в том числе при флотации, сгущении, отстаивании и фильтрации, в процессах конденсации, кристаллизации, брикетирования, спекания, гранулирования и т. д. Особое внимание в курсе уделяется роли поверхностно-активных веществ, регулирующих протекание поверхностных взаимодействий в дисперсных системах.

Успешное освоение материала дисциплины «Поверхностные явления и дисперсные системы» предусматривает знание студентами ряда предшествующих дисциплин учебного плана: «Неорганическая химия», «Органическая химия», «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа»», «Высшая математика», «Физика», «Физическая химия».

Общеобразовательные стандарты специальностей 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий», 1-48 02 01 «Биотехнология», 1-57 01 03 «Биоэкология» предусматривают, что выпускник, усвоивший дисциплину «Поверхностные явления и дисперсные системы», должен

знать:

– виды поверхностных явлений, причины их возникновения и закономерности протекания;

– методы исследования поверхностных явлений с целью получения их количественных характеристик;

– классификации дисперсных систем;

– способы получения, стабилизации и разрушения дисперсных систем;

– методы изучения свойств дисперсных систем в зависимости от их природы и степени дисперсности;

уметь:

– выполнять необходимые физико-химические расчеты с использованием справочной литературы;

– проводить экспериментальные исследования с использованием современных приборов, обрабатывать результаты эксперимента, делать соответствующие выводы и заключения;

– грамотно использовать закономерности протекания поверхностных явлений в разнообразных дисперсных системах для управления технологическими процессами;

– выбирать оптимальные методы анализа дисперсных систем на различных стадиях технологического процесса;

– решать проблемы охраны окружающей среды, и в частности очистки сточных вод и промышленных выбросов;

– применять полученные знания для решения задач ресурсосбережения, энергосбережения и импортозамещения.

Согласно типовым учебным планам на изучение данной дисциплины предусматривается всего: 148 часов, из них 68 часов аудиторных, в том числе 34 часа – лекции и 34 часа – лабораторные занятия.

В лекционном курсе акцентируется внимание на необходимость знаний в области коллоидной химии для оптимизации и интенсификации технологических процессов с участием дисперсных систем (в производстве и переработке полимерных материалов, в нефтеперерабатывающей промышленности), для раскрытия механизмов протекания природных коллоидно-химических процессов, и способах их регулирования в целях защиты окружающей среды. Изложение этих вопросов построено в связи с задачами в области развития химической промышленности.

На лабораторных занятиях по курсу «Поверхностные явления и дисперсные системы» студенты должны освоить физико-химические методы определения основных характеристических параметров поверхностных явлений и дисперсных систем, таких как, поверхностное натяжение, удельная поверхность, средний размер частиц дисперсной фазы и др., а также научиться производить соответствующие практические расчеты.

Важное место в процессе освоения курса «Поверхностные явления и дисперсные системы» занимает самостоятельная работа студентов (80 часов). Она активизирует познавательную деятельность студентов, повышает интерес к изучаемой дисциплине.

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

Введение

Основные разделы и направления науки о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Объекты и цели изучения. Понятие о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Признаки дисперсных систем – гетерогенность и дисперсность; их единство. Классификации дисперсных систем. Роль поверхностных явлений и дисперсных систем в природе и народном хозяйстве.

Раздел 1. Поверхностные явления

1.1. Термодинамика поверхностных явлений. Поверхность раздела фаз. Поверхностное натяжение как мера свободной поверхностной энергии, его силовая и энергетическая трактовки. Экспериментальные методы определения поверхностного натяжения.

Метод избыточных величин Гиббса – способ описания термодинамики поверхностных явлений. Классификация поверхностных явлений.

1.2. Адгезия, смачивание, растекание. Адгезия и когезия. Природа сил взаимодействия при адгезии и когезии. Виды адгезии на различных границах раздела фаз. Уравнение Дюпре для вычисления работы адгезии. Смачивание и несма-чивание твердой поверхности жидкостью. Угол смачивания. Закон Юнга. Связь работы адгезии с углом смачивания (уравнение Дюпре-Юнга). Избирательное смачивание. Лиофильность и лиофобность поверхностей твердых тел. Значение явлений адгезии и смачивания в химической технологии.

Термодинамические условия растекания жидкостей. Коэффициент растекания по Гаркинсу. Эффект Марангони. Межфазное натяжение на границе между взаимно насыщенными жидкостями. Правило Антонова.

1.3. Капиллярные явления. Влияние кривизны поверхности жидкости на внутреннее давление. Капиллярное давление, закон Лапласа. Капиллярные явления. Капиллярное поднятие жидкости, уравнение Жюрена.

Зависимость давления насыщенного пара от кривизны поверхности жидкости. Уравнение Томсона (Кельвина). Роль капиллярных явлений в природе и технике.

1.4. Адсорбция. Адсорбция как поверхностное явление. Адсорбат и адсорбент. Природа адсорбционных сил. Физическая адсорбция, хемосорбция. Изотерма, изопикна, изостера и изобара адсорбции.

1.4.1. Адсорбция на границе твердое тело-газ. Адсорбция газов и паров на однородной поверхности. Изотерма мономолекулярной адсорбции. Основные положения теории мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра. Уравнение Лэнгмюра, его анализ. Линейный вид уравнения Лэнгмюра и графическое определение его констант. Изотермы полимолекулярной адсорбции. Теория полимолекулярной адсорбции БЭТ (Брунауэра, Эммета, Теллера). Уравнение БЭТ, его анализ. Линейная форма уравнения БЭТ, ее практическое применение для определения удельной поверхности твердых адсорбентов. Потенциальная теория Поляни. Адсорбционный объем и адсорбционный потенциал. Характеристическая кривая адсорбции, ее построение по изотерме полимолекулярной адсорбции. Температурная инвариантность и аффинность характеристической кривой.

Адсорбция газов и паров на пористых адсорбентах. Количественные характеристики пористых тел: пористость, размер пор, удельная поверхность. Классификация адсорбентов по размерам пор.

Адсорбция на переходно-пористых адсорбентах. Капиллярная конден-сация. Влияние формы пор на ход изотермы адсорбции. Капиллярно-конден-сационный гистерезис. Интегральная и дифференциальная кривые распределения объема пор по радиусам.

Особенности адсорбции на микропористых адсорбентах. Изотерма адсорбции. Теория объемного заполнения микропор Дубинина. Уравнение Дубинина-Радушкевича. Молекулярные сита.

Практическое применение твердых адсорбентов для очистки газовых выбросов различных производств от вредных веществ.