РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (РПУД)
Поверхностные явления и дисперсные системы
Специальность – 240802.65 "Основные процессы химических производств и химическая кибернетика"
Форма подготовки (очная)
Школа естественных наук
кафедра химических и ресурсосберегающих технологий
курс 4 семестр 8
лекции 34 час.
практические занятия 17 час.
семинарские занятия - час.
лабораторные работы 34 час.
консультации 1 час.
всего часов аудиторной нагрузки 85 час.
самостоятельная работа 51 час.
реферативные работы (количество)
контрольные работы (количество)
зачет - семестр
экзамен 8 семестр
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (приказ № 220 тех\дс от 27 марта 2000 г.)
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры физической и аналитической химии, протокол № 14 от 26 сентября 2012 г.
Заведующий кафедрой Кондриков Н.Б.
Составитель Постнова И.В.
Оборотная сторона титульного листа РПУД
I. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 200 г. № ______
Заведующий кафедрой _______________________ __________________
(подпись) (И.О. Фамилия)
II. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 200 г. № ______
Заведующий кафедрой _______________________ __________________
(подпись) (И.О. Фамилия)
Аннотация
Цель изучения дисциплины «Поверхностные явления и дисперсные системы» является формирование у студентов знаний об основах современного учения о дисперсном состоянии тел и об особых свойствах поверхностных слоев и дисперсных систем как обширной самостоятельной области физико - химической науки.
Задачи:
Студенты должны знать и владеть основами коллоидной химии как науки об оптимизации и интенсификации гетерогенных химико- технологических процессов, протекающих с участием дисперсных фаз; иметь представление о молекулярных взаимодействиях и особых свойствах поверхностей раздела фаз, адсорбционных слоях и их влиянии на свойства дисперсных систем, молекулярно-кинетических и оптических свойствах дисперсных систем, их устойчивости; иметь представление о физико-химической механике дисперсных систем и твердых тел.
Дисциплина «Поверхностные явления и дисперсные системы» относиться к разделу СД.Ф.9 –цикла специальных дисциплин.
Дисциплина «Поверхностные явления и дисперсные системы» логически и содержательно связана с такими курсами, как 1) высшая математика: дифференциальное и интегральное исчисление, свойства и графики основных функций; 2) физика: оптика, механика; 3) физическая химия: термодинамика, адсорбция; 4) неорганическая химия; 5) органическая химия: высокомолекулярные вещества; 6) аналитическая химия: количественный анализ.
Основные умения, приобретаемые в ходе изучения дисциплины: 1) достигнув адсорбционного равновесия, могут определить истинную поверхность адсорбента, посадочную площадку адсорбируемых молекул, их осевую длину, ориентацию частиц на поверхности; 2) по величине смачивания предсказать природу частиц (лиофильные или лиофобные), определить работу адгезии и когезии; 3) произвести седиментационный анализ дисперсных систем (определить размер дисперсных частиц, построить кривую распределения частиц по фракциям); 4) определить критическую концентрацию мицеллообразования в растворах мылообразных веществ; 5) методом вискозиметрии определить молекулярный вес полимера и т.д.
I. Структура и содержание теоретической части курса
Лекционные занятия (34 часа)
Модуль 1. Поверхностные явления (12/0 час.)
Характеристика и классификация дисперсных систем. (4 ч)
Основные понятия коллоидной химии, объекты и цели изучения. Коллоидные частицы и коллоидные системы; коллоидное (дисперсное) состояние вещества. Дисперсность и удельная поверхность. Роль поверхностных явлений в процессах, протекающих в дисперсных системах.
Классификация дисперсных систем: по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по размерам частиц, по концентрации. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы.
Взаимосвязь коллоидной химии с другими химическими дисциплинами, с физикой, биологией, геологией, медициной. Основные этапы развития коллоидной химии. Главные новые направления и объекты (наносистемы, микроэмульсии, биоколлоиды, тонкие пленки и др.)
Поверхностная энергия и поверхностные явления. (2 ч)
Поверхность раздела фаз. Свободная поверхностная энергия. Поверхностное натяжение, силовая и энергетическая трактовки. Термодинамика поверхностных явлений. Метод избыточных термодинамических функций поверхностного слоя (Гиббс). Понятие о поверхности разрыва и разделяющей поверхности. Уравнение Гиббса для поверхности раздела фаз. Изменение поверхностного натяжения жидкости на границе с собственным паром в зависимости от температуры.
Поверхность раздела между двумя конденсированными фазами. Правило Антонова; условия его применения. Эффект Марангони.
Адгезия. (2 ч)
Смачивание и капиллярные явления. Краевой угол. Закон Юнга (силовой и энергетический выводы). Работа когезии и адгезии. Адсорбция на гладких поверхностях и пористых адсорбентах, капиллярная конденсация. Избирательное смачивание; использование для характеристики поверхностей твердых тел (гидрофильности, гидрофобности). Полное смачивание (термодинамическое условие). Адгезия и смачивание.
Основные методы измерения поверхностного натяжения жидкостей и поверхностной энергии твердых тел
Основные закономерности адсорбции. (1 ч)
Поверхностно-активные вещества. Поверхностная активность, ее изменение в гомологических рядах ПАВ. Термодинамическое обоснование правила Траубе-Дюкло. Методы оценки поверхностной активности органических ПАВ. Работа адсорбции.
Адсорбция на границе жидкость-газ. (1 ч) Строение монослоев растворимых ПАВ. Двухмерное состояние вещества в поверхностном слое, ориентация молекул в разреженных и в насыщенных слоях. Уравнение состояния монослоя ПАВ. Расчет размеров молекул ПАВ. Адсорбция ПАВ на поверхности раздела несмешивающихся жидкостей.
1.6. Адсорбция на твердых поверхностях. (1 ч) Адсорбция ПАВ из растворов на поверхности твердых тел
1.7. Двойной электрический слой и электрокинетические явления. (1 ч) . Двойной электрический слой (ДЭС). Причины образования ДЭС. Термодинамическое равновесие поверхности раздела фаз с учетом электрической энергии. Механизмы образования двойного электрического слоя. Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциалы течения и оседания; теория Гельмгольца-Смолуховского. Электрокинетический потенциал; граница скольжения.
Модуль 2. Свойства дисперсных систем (12/0 час.)
2.1. Оптические свойства дисперсных систем. (3 ч) оптические явления в дисперсных системах; системы с жидкой и газообразной дисперсионной средой
2.2. Молекулярно-кинетические свойства высокодисперсных систем. (3 ч) Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. Диффузия в коллоидных системах. Закон Эйнштейна. Применение ультроцентрифуг для измерения массы ультрадисперсных частиц и макромолекул (Думанский, Сведберг). Седиментационно-диффузионное равновесие
2.3. Устойчивость дисперсных систем. (3 ч) Седиментация в дисперсных системах, термодинамические и кинетические факторы агрегативной устойчивост. Седиментационная устойчивость. Теория устойчивости гидрофобных золей (теория ДЛФО). Зависимость энергии взаимодействия плоских поверхностей от расстояния между ними. Учет молекулярной природы контактирующих фаз, константа Гамакера. Зависимость энергии взаимодействия частиц дисперсной фазы от расстояния между ними
2.4. Структурно-механические свойства дисперсных систем. (3 ч) Мицеллообразование; структурообразование в коллоидных системах.
2.5. Получение и очистка дисперсных систем. (3 ч) Основные методы очистки коллоидных растворов (диализ, ультрафильтрация). Методы измерения размеров коллоидных частиц. Закон светорассеяния Рэлея. Методы стабилизации и разрушения золей. Практическое применение золей (примеры). Коагуляция золей электролитами.
Модуль 3. Виды дисперсных систем (10/0 час.)
3.1. Основы дисперсионного анализа. (2 ч) Коллоидные растворы (золи). Классификация. Гидрозоли и органозоли. Коллоидно-химические свойства ВМС.
3.2. Золи и суспензии. (1 ч)
3.3. Эмульсии. (1 ч)
3.4. Пены. Пасты (1 ч)
3.5. Аэрозоли. (1 ч)
3.6. Системы с твердой дисперсионной средой. (1 ч)
3.7. Высокомолекулярные соединения (ВМС). (1 ч)
3.8. Белки (полиэлектролиты). (1 ч)
3.9. Коллоидные поверхностно-активные вещества. (1 ч)
II. Структура и содержание практической части курса
В практической части курса студенты выполняют лабораторные работы. Структура практической части курса включает два модуля: экспериментальные методы исследования поверхностных явлений и дисперсных систем. Практическая часть курса направлена на закрепление теоретической части курса и овладение экспериментальными методами и методиками курса Коллоидная химия.
Практические занятия (17 ч)
Характеристика и классификация дисперсных систем. Поверхностная энергия и поверхностные явления. (2 ч)
Адгезия. Основные закономерности адсорбции(2 ч)
Адсорбция на границе жидкость-газ. Адсорбция на твердых поверхностях. (2 ч)
Электрокинетические явления. (2 ч)
Свойства дисперсных систем. (2 ч)
Виды дисперсных систем (2 ч)
Золи и суспензии.. Эмульсии. Пены. Аэрозоли. (2 ч)
Высокомолекулярные соединения (ВМС). Белки (полиэлектролиты). (2 ч)
Коллоидные поверхностно-активные вещества. (2 ч)
Лабораторные работы (34 ч)
Модуль 1. Экспериментальные методы исследования поверхностных явлений (14/0 час.)
1.1. Синтез гидрозоля железа (III), изучение его коагуляции и стабилизации. (2 ч)
1.2. Изучение явления неправильных рядов с помощью фотоэлектроколориметра. (2 ч)
1.3. Адсорбция поверхностно-активного вещества на границе раздела жидкость – газ. (2 ч)
1.4. Измерение поверхностного натяжения и исследование поверхностной активности в гомологическом ряду. (2 ч)
1.5. Изучение адсорбции поверхностно-активных веществ на угле. (2 ч)
1.6. Изучение влияния адсорбционных слоев на смачивание твердой поверхности. (2 ч)
1.7. Электрофоретическое определение электрокинетического потенциала. (4 ч)
Модуль 2. Экспериментальные методы исследования дисперсных систем (20/0 час.)
2.1. Исследование зависимости вязкости растворов полимеров от их концентрации. (4 ч)
2.2. Определение молекулярной массы полимера вискозиметрическим методом. (4 ч)
2.3. Изучение кинетики ограниченного набухания полимера. (2 ч)
2.4. Исследование мицеллообразования в растворах поверхностно-активных веществ. (4 ч)
2.5. Определение критической концентрации мицеллообразования по изменению поверхностного натяжения. (2 ч)
2.6. Дисперсионный анализ низкодисперсных порошков методом седиментации. (2 ч)
2.7. Пены и их свойства (2 ч)
2.8. Эмульсии и их свойства. (2 ч)
III. Контроль достижения целей курса
Контрольные работы по темам всего теоретического курса
. ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ
1. Характеристика и классификация дисперсных систем.
2. Термодинамика поверхностных явлений. Самопроизвольные процессы в дисперсных системах.
3. Поверхностная энергия Гиббса. Поверхностное натяжение.
4. Поверхностное натяжение. Правила Г.Н.Антонова и П.А.Ребиндера.
5. Смачивание. Растекание. Когезия. Адгезия.
6. Сорбция. Адсорбция как поверхностное явление (абсолютная адсорбция А, гиббсовская адсорбция Г).
7. Вывод уравнения Гиббса.
8. Теории адсорбции. Теория БЭТ.
9. Теплоты адсорбции.
10. Уравнение Генри, Фрейндлиха, Ленгмюра. Вывод уравнения Ленгмюра.
11. Поверхностная активность. Адсорбция ПАВ. Вывод уравнения Шишковского.
12. Предельная адсорбция. Правило Дюкло-Траубе.
13. Методы определения поверхностного натяжения.
14. Адсорбция на поверхности твердых тел. Характеристика адсорбентов. Адсорбция газов, адсорбция жидкостей.
15. Адсорбция ионов на твердой поверхности. Правило Фаянса-Панета.
16. Ионнообменная адсорбция. Уравнение Б.П.Никольского.
17. Избирательная адсорбция. Двойной электрический слой.
18. Теории Гельмгольца-Перрена, Гуи-Чепмена, Штерна.
19. Влияние различных факторов на электрокинетический потенциал.
20. Электрокинетические явления. Вывод уравнения Гельмгольца - Смолуховского.
21. Методы определения электрокинетического потенциала.
22. Строение коллоидных частиц.
23. Получение дисперсных систем (диспергирование, конденсация).
24. Механическое диспергирование.
25. Физико-химическое диспергирование (пептизация).
26. Физические и химические методы конденсации.
27. Методы очистки коллоидных растворов.
28. Мембраны и мембранные процессы. Мембранное равновесие Доннана.
29. Диффузия. Уравнение Фика. Вывод уравнения Эйнштейна для скорости диффузии.
30. Вывод уравнения Эйнштейна-Смолуховского для величины среднего сдвига частиц в броуновском движении.
31. Осмотическое давление коллоидных растворов.
32. Оптические свойства дисперсных систем. Явление Фарадея-Тиндаля.
33. Светорассеяние. Уравнение Рэлея и его анализ.
34. Светопоглощение. Уравнение Ламберта-Беера. Оптические методы анализа дисперсных систем.
35. Седиментация в дисперсных системах.
36. Вывод уравнения Стокса для определения размеров частиц суспензии.
37. Реологические свойства коллоидных систем. Закон Ньютона. Уравнение Пуазейля.
38. Вязкость коллоидных растворов. Структурная вязкость. Уравнение Шведова-Бингама и его анализ.
39. Образование, особенности и разрушение структурированных систем.
40. Прочность и вязкость дисперсных систем.
41. Устойчивость дисперсных систем (агрегативная, седиментационная).
42. Кинетика коагуляции. Теория М.Смолуховского.
43. Расклинивающее давление и теория ДЛФО.
44. Изменения агрегативной устойчивости при помощи электролитов. Правило Шульце-Гарди. Порог коагуляции.
45. Коагуляция золей смесями электролитов. Явление привыкания золей. Коллоидная защита.
46. Особенности золей и суспензий.
47. Эмульсии. Свойства эмульсий. Устойчивость, получение и разрушение эмульсий.
48. Пены. Свойства и особенности пен. Устойчивость и получение пен.
49. Аэрозоли. Классификация аэрозолей. Образование и свойства аэрозолей.
50. Характеристика систем с твердой дисперсной средой. Твердые пены. Капиллярно-пористые тела.
51. Коллоидная химия ВМС. Свойства растворов ВМС.
52. Набухание. Кинетика набухание.
53. Определение молекулярной массы полимера по вязкости. Уравнение Штаудингера и его анализ.
54. Изоэлектрическое состояние полимерных электролитов.
55. Студни и студнеобразование. Характеристика студней и гелей.
56. Свойства гелей и студней.
57. Белки как коллоидные растворы.
58. Особенности и классификация коллоидных ПАВ.
59. Критическая концентрация мицеллообразования.
IV. тематика и перечень курсовых работ и рефератов
Рефераты не предусмотрены
V. учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Сумм, Б. Д. Основы коллоидной химии / Б. Д. Сумм. – 2-е изд. – М.: Академия, 2006. – 240 с.
2. Щукин, Е. Д. Коллоидная химия: учебн. для университетов и химико-технолог. вузов: изд. 3-е, перераб. и доп. / Е. Д. Щукин, А. В. Перцов, Е. А. Амелина. – М.: Высш. шк., 2007. – 445 с.
3. Гельфман, М. И. Коллоидная химия / М. И. Гельфман, О. В. Ковалевич, В. П. Юстратов. – СПб.: Лань, 2008. – 332 с.
4. Назаров, В. В. Практикум и задачник по коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебное пособие для вузов / В. В. Назаров, А. С. Гродский, А. Ф. Моргунов, Н. А. Шабанова, А. Ф. Кривощепов, А. Ю. Колосов. – М.: ИКЦ Академкнига, 2007. – 372 с.
5. Фридрихсберг, Д. А. Курс коллоидной химии: учеб. для вузов: изд. 3-е, исправл. / Д. А. Фридрихсберг. – СПб.: Лань, 2010. – 400 с.
6. Зимон, А. Д. Коллоидная химия / А. Д. Зимон, Н. Ф. Лещенко. – М.: Агар, 2003. – 318 с.
Дополнительная литература
7. Мушкамбаров, Н. Н. Физическая и коллоидная химия: курс лекций: изд. 2-е, исправл. / Н. Н. Мушкамбаров. – М.: Гэотар-Мед, 2002. – 384 с.
8. Евстратова, К. И. Физическая и коллоидная химия / К. И. Евстратова, М. А. Купина, Е. Е. Малахова. – М.: Высш. шк. 1990. – 487 с. (4 экз.)
9. Evans, D. F. THE COLLOIDAL DOMAN. Where Physics, Chemistry, Biology, and Technology Meet: 2nd Ed. / D. F. Evans, H. Wennerström. – NY.: Wiley – VCH, 1994. – 672 p.
10. Воюцкий, С. С. Курс коллоидной химии: изд. 2-е. / С. С. Воюцкий. – М.: Химия, 1976. – 512 с. (78 экз.)
11. Фролов, Ю. Г. Курс коллоидной химии / Ю. Г Фролов. – М.: Химия, 1989. – 464 с. (4 экз.)
12. Гельфман, М. И. Практикум по коллоидной химии: учеб. пособие: изд. 1-е. / М. И. Гельфман. – СПб.: Лань, 2005. – 256 с.
Учебно-методические пособия
1. Постнова И. В. Контрольные задания по коллоидной химии для студентов Института химии и прикладной экологии. Методическая разработка, ДВГУ, 2007.
2. Постнова И. В. Тестовые задания по коллоидной химии для студентов Института химии и прикладной экологии. Методическая разработка, ДВГУ, 2007.
3. Постнова И. В. Webtest (три модуля) для проверки знаний по дисциплине «Коллоидная химия». 2004.
4. Постнова И. В. Лабораторные работы по коллоидной химии для студентов ИХПЭ. Учебно-методическое пособие. ДВГУ. 2008.
|
