ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Мурманский государственный педагогический университет»
(МГПУ)
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
ЕН.Ф.04.
ХИМИЯ: ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Основная образовательная программа подготовки специалиста по специальности (специальностям)
020201 «Биология» cо специализацией «Теория образования и методика преподавания»
Утверждено на заседании кафедры
биологии и химии
факультета ЕФКиБЖД
(протокол № 1 от 23 сентября 2010 г.)
Зав. кафедрой ___________ М.Н. Харламова
РАЗДЕЛ 1. Программа учебной дисциплины.
Автор программы:
Сагайдачная В.В., кандидат педагогических наук, доцент кафедры биологии и химии ФЕФК и БЖД МГПУ.
1.2 Рецензенты:
Овчинникова С.И., кандидат химических наук, профессор кафедры биохимии МГТУ.
Крыштоп В.А., кандидат педагогических наук, старший преподаватель кафедры биологии и химии ФЕФК и БЖД МГПУ.
Пояснительная записка.
Химия высокомолекулярных соединений и коллоидная химия представляют собой теоретический фундамент современной химии, широко применяемой для исследования процессов, протекающих в биологических системах.
Программа курса включает два раздела «Высокомолекулярные соединения» и «Коллоидная химия».
Раздел «Высокомолекулярные соединения» охватывает основные понятия и явления, являющиеся предметом изучения науки о полимерах. Он позволяет сформировать современные представления о строении и свойствах одного из широчайших классов веществ — высокомолекулярных соединений. Содержание курса показывает фундаментальную роль высокомолекулярных соединений в функционировании биологических систем.
В разделе «Коллоидная химия» рассматриваются особенности коллоидного состояния материи, классификация коллоидных систем, понятие о дисперсности, биологическое значение коллоидов.
Программа составлена с учетом новейших достижений теоретической коллоидной химии и химии полимеров. Из большого теоретического материала отобраны вопросы, которые важны для понимания биофизических, биохимических и биологических процессов.
Лабораторный практикум знакомит с химическими и физико-химическими свойствами коллоидных систем и высокомолекулярных соединений, методами их синтеза, методами физико-химических исследований, с методикой выполнения расчетов, методикой обоснования выявленных закономерностей, что позволяет студентам приобретать навыки научно-исследовательской работы в целом.
Программа составлена на основании структурно-логического подхода к определению места изучаемого курса в системе химических дисциплин, с учетом межпредметных связей с курсами органической, физической аналитической, общей и неорганической химии, а также физикой и высшей математикой.
Цель курса: ознакомление студентов с основами химии высокомолекулярных соединений и коллоидной химии.
Задачи курса:
сформировать современные представления о строении и свойствах высокомолекулярных соединений, их роли в функционировании биологических систем;
сформировать современные представления об особенностях коллоидного состояния материи, о структуре и биологическом значении коллоидов.
По окончании изучения курса студенты должны знать:
теоретические основы химии высокомолекулярных соединений;
строение и свойства полимеров:
свойства растворов высокомолекулярных соединений.
теоретические основы коллоидной химии;
особенности коллоидного состояния материи;
значение коллоидов в биологии.
Студенты должны уметь:
применять теоретические основы коллоидной химии и химии высокомолекулярных соединений при решении прикладных задач;
применять полученные знания для анализа биологических процессов и систем;
владеть методами расчетов, применяемыми в коллоидной химии, методиками постановки и проведения химического эксперимента, математической обработки результатов;
самостоятельно работать с учебной, справочной и методической литературой.
Программа предназначена для студентов 2 курса (3 и 4семестры) специальности «Биология». В 2-м семестре изучаются разделы высокомолекулярных соединений (лекции – 16 часов, лабораторные работы- 16 часов). В 4-м семестре изучаются разделы химии коллоидной химии (лекции – 14 часов, практические работы - 10 часов). Форма итогового контроля - зачет.
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего и среднего образования и учебным планом по направлению подготовки 020201 – Биология.
При разработке данной программы были использованы: Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по специальности «Биология»; методические разработки, сборники задач и тематических заданий по различным разделам курса (см. список литературы по разделам).
Извлечение из ГОС ВПО:
Требования ГОС к обязательному минимуму
содержания основной образовательной программы
Индекс
|
Дисциплина и ее основные разделы
|
Всего часов
|
ЕН.Ф.04
|
строение и свойства высокомолекулярных соединений, их роль в функционировании биологических систем, свойства растворов высокомолекулярных соединений;
коллоидные системы, методы их изучения, свойства дисперсных систем, биологическое значение коллоидов; химический практикум.
|
100
|
Объем дисциплины и виды учебной работы:
№ п/п
|
Шифр и наименование специальности
|
Курс
|
Семестр
|
Виды учебной работы в часах
|
Вид итогового контроля (форма отчетнос-ти)
|
Трудо-ёмкость
|
Всего ауд.
|
ЛК
|
ПР/СМ
|
ЛБ
|
Сам. раб.
|
1.
|
020201 – «БИОЛО-ГИЯ»
|
2
|
III
|
100
|
50
|
16
|
-
|
10
|
50
|
ЗАЧЕТ
|
2
|
IV
|
14
|
10
|
-
|
1.6 Содержание дисциплины.
1.6.1 Разделы дисциплины и виды занятий (в часах). Примерное распределение учебного времени:
«Высокомолекулярные соединения и коллоидная химия»
№ п/п
|
Наименование раздела, темы
|
Количество часов
|
Всего ауд.
|
ЛК
|
ПР
|
ЛБ
|
Сам.
раб.
|
1.
|
Общие представления химии высокомолекулярных соединений
|
6
|
4
|
2
|
-
|
6
|
2.
|
Строение и свойства изолированных молекул.
|
8
|
4
|
2
|
2
|
6
|
3.
|
Растворы полимеров
|
6
|
4
|
-
|
2
|
8
|
4.
|
Полиэлектролиты.
|
4
|
2
|
-
|
2
|
6
|
5.
|
Коллоидная химия. Поверхностные явления.
|
6
|
4
|
-
|
2
|
4
|
6.
|
Молекулярно-кинетические и оптические свойства коллоидов
|
2
|
2
|
-
|
-
|
4
|
7.
|
Поверхностные явления в дисперсных системах.
|
6
|
2
|
2
|
2
|
4
|
8.
|
Электрические свойства коллоидов.
|
4
|
2
|
2
|
-
|
4
|
9.
|
Устойчивость коллоидных систем.
|
4
|
2
|
2
|
-
|
4
|
10.
|
Микрогетерогенные системы.
|
4
|
4
|
-
|
-
|
4
|
ВСЕГО
|
50
|
30
|
10
|
10
|
50
|
1.6.2 Содержание разделов дисциплины
Раздел I. ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Тема 1. Общие представления химии высокомолекулярных соединений.
Понятие макромолекулы и полимера. Основные отличия свойств полимеров от свойств низкомолекулярных соединений (отсутствие газообразного состояния, высокая эластичность, способность к образованию анизотропных ориентированных структур, явление набухания и образования гелей, высокая вязкость растворов и расплавов). Биологически значимые свойства полимеров: способность преобразовывать химическую энергию в механическую работу (хемомеханические машины), способность хранить и передавать информацию.
Понятие о молекулярной массе и степени полимеризации макромолекул. Среднемассовая и среднечисленная молекулярные массы полимеров. Понятия о молекулярно-массовом распределении, функции распределения полимеров по молекулярным массам.
Основные методы синтеза полимеров: радикальная и ионная полимеризация (инициирование, рост и обрыв цепи), поликонденсация (уравнение зависимости степени полимеризации от степени конверсии). Синтез полипептидов, особенности биосинтеза белков.
Химическая классификация полимеров. Важнейшие представители карбоцепных (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полиизопрен, тефлон) и гетероцепных (полиамиды и полиэфиры) синтетических полимеров, области их практического применения. Белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды как важнейшие представители биополимеров.
Тема 2. Строение и свойства изолированных макромолекул.
Понятие о конфигурации и конфигурационных изомерах. Особенности конфигурационной изомерии синтетических полимеров: конфигурация присоединения голова-голова, голова-хвост, цис-, транс-. Примеры.
Понятие о хиральном и псевдохиральном атоме углерода. Фишеровские проекции. Стереорегулярные синтетические полимеры: изо- и синдиотактические, примеры. L- и D- аминокислоты, стереоизомерия белков и полипептидов.
Конформация макромолекул. Механизмы гибкости полимерных цепей (вращение вокруг одинарных химических связей или деформация химических связей и валентных углов в макромолекуле). Представление о форме и размерах изолированной полимерной цепи.
Модель свободно-сочлененной цепи. Функция распределения макромолекул по размерам. Контурная длина макромолекулы и среднеквадратичное расстояние между концами цепи. Модель цепи с фиксированными валентными углами и свободным внутренним вращением вокруг одинарных химических связей. Контурная длина макромолекулы и среднеквадратичное расстояние между концами цепи.
Особенности химического строения пептидной связи. Гибкость белковых макромолекул и понятие об упорядоченных (регулярных) конформациях. Конформации белков и полипептидов: -спираль,  -слой, - их структура и основные параметры. Роль водородных связей в стабилизации вторичной структуры белков и полипептидов. Кооперативный характер разрушения вторичных структур белков и полипептидов. Основы теории конформационных переходов -спираль  клубок для полипептидов.
Представление о третичной и четвертичной структуре белков. Роль химических, электростатических и неполярных (гидрофобных) взаимодействий в стабилизации таких структур. Сущность явления денатурации белков. Обратимая и необратимая денатурация. Примеры.
Общие представления об упорядоченных структурах нуклеиновых кислот, роль водородных связей в стабилизации двойной спирали ДНК. Причины образования компактных структур макромолекулами нуклеиновых кислот.
Тема 3. Растворы полимеров.
Растворы полимеров. Разбавленные, полуразбавленные и концентрированные растворы. Особенности процесса растворения полимеров. Равновесное и неравновесное набухание. Полимерные гели. Степень набухания.
Понятие об идеальных растворах. Энтальпия и энтропия образования идеальных растворов. Причины неидеального поведения растворов полимеров.
Основы решеточной модели Флори-Хаггинса растворов полимеров. Энтропия и энтальпия смешения. Вириальное уравнение состояния полимера в растворе. Параметр взаимодействия Флори-Хаггинса ( ), второй вириальный коэффициент (А2 ) и его термодинамический смысл.
Понятие термодинамического качества растворителя: хорошие, плохие и идеальные ("тэта",  ) растворители. -температура. Невозмущенный полимерный клубок. Понятие о коэффициенте набухания макромолекул ).
Явление фазового разделения в растворах полимеров. Типы фазовых диаграмм системы полимер-растворитель. Влияние молекулярной массы на вид фазовых диаграмм. Верхняя и нижняя критическая температуры смешения. Положение тэта () температуры на фазовых диаграммах. Связь А2 и с температурой.
Осмотическое давление растворов полимеров. Использование метода осмометрии для определения молекулярной массы полимеров и второго вириального коэффициента.
Гидродинамические свойства макромолекул в растворе. Физические основы метода вискозиметрии. Модель Эйнштейна для плотных сферических частиц (глобулярные белки). Вискозиметрия разбавленных растворов полимеров: определение молекулярной массы, размеров и формы макромолекул в растворе (уравнения Хаггинса, Марка–Куна– Хаувинка и Флори– Фокса).
Представления о методах диффузии и седиментации для исследования растворов полимеров.
Рассеяние света растворами полимеров. Использования метода для определения молекулярной массы, второго вириального коэффициента и радиуса инерции полимерного клубка.
Тема 4. Полиэлектролиты.
Полиэлектролиты и их классификация (сильные, слабые, поликислоты, полиоснования, полисоли, полиамфолиты). Примеры.
Основные отличия полиэлектролитов от неионогенных полимеров: эффект полиэлектролитного набухания и влияние рН, ионной силы и концентрации полиэлектролита на гидродинамические свойства различных полиэлектролитов.
Диссоциация полиэлектролитов. Отличие от диссоциации низкомолекулярных электролитов. Уравнение Хассельбаха–Гендерсона. Электростатическая составляющая свободной энергии Гиббса  Gel.) и ее экспериментальное определение из кривых потенциометрического титрования. Осмотическое давление растворов полиэлектролитов, эффект Доннана.
Полиамфолиты. Изоэлектрическое и изоионное состояние. Нуклеиновые кислоты и белки как природные полиамфолиты.
Раздел II. КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ.
Тема 1. Основные понятия коллоидной химии дисперсных систем.
Основные задачи коллоидной химии, значение коллоидной химии для познания биологических процессов.
Основные особенности коллоидного состояния материи, классификация коллоидных систем, понятие о дисперсности. Получение коллоидных систем: конденсация и диспергирование, химические способы получения.
Очистка дисперсных систем, диализ, электродиализ, ультрафильтрация.
Тема 2. Молекулярно-кинетические и оптические свойства коллоидных систем.
Броуновское движение, диффузия, распределение коллоидных частиц в гравитационном поле, седиментация. Осмотические свойства. Закономерности светорассеяния и светопоглощения, явление Тиндаля.
Оптические методы изучения дисперсных систем, ультрамикроскопия, нефелометрия, турбидиметрия.
Тема 3. Поверхностные явления в дисперсных системах.
Избыточная поверхностная энергия и поверхностное натяжение на границе раздела фаз, уравнение Гиббса.
Виды сорбции. Адсорбция и связь ее с поверхностным натяжением, поверхностно-активные вещества. Адсорбция из газовой фазы, изотерма Ленгмюра, строение адсорбционного слоя на границе раствор–газ. Адсорбция из растворов, обменная адсорбция, избирательная адсорбция, смачивание, флотация. Уравнение Фрейндлиха, области его применения.
Тема 4. Электрические свойства дисперсных систем.
Электрокинетические явления, электрофорез, электроосмос. Строение двойного электрического слоя, теория Гельмгольца. Понятие электрокинетического потенциала. Строение мицеллы.
Тема 5. Устойчивость коллоидных систем.
Агрегативная и седиментационная устойчивость. Факторы стабилизации дисперсных систем.
Коагуляция коллоидных систем. Факторы, вызывающие коагуляцию, коагуляция электролитами. Теории коагуляции: адсорбционная и электростатическая.
Тема 6. Микрогетерогенные системы.
Эмульсии, классификация, методы получения, стабилизация, обращение фаз в эмульсиях.
Пены, методы получения, устойчивость. Физико-химические основы пеногашения. Аэрозоли, классификация, методы получения. Методы очистки от аэрозолей.
Дымы и туманы. Причины агрегативной неустойчивости. Методы разрушения аэрозолей.
Мыла. Моющее действие раствора мыла моющего средства. Строение мыла. Коллоидная растворимость (солюбилизация) углеводородов в мицеллах мыла. Растворы ВМС. Переход полимера в раствор. Аномальная вязкость растворов ВМС.
Гели и студни. Свойства гелей и студней. Явления синерезиса и тиксотропии.
Темы для самостоятельного изучения.
№
п/п
|
Наименование
раздела, темы
|
Формы самостоятельной
работы
|
часы
|
Форма контроля
|
1.
|
Общие представления химии высокомолекулярных соединений
|
Вопросы для самостоятельного изучения:
Критерии различия ВМС и низкомолекулярных веществ.
Функции распределения полимеров по молекулярным массам.
Представители карбоцепных синтетических полимеров: полиметилметакрилат, полиизопрен, тефлон.
Представители гетероцепных синтетических полимеров, области их практического применения.
Расчёты: средняя молекулярная масса полимера
|
6
|
обсуждение;
проверка упражнений, решений задач
|
2.
|
Строение и свойства изолированных молекул.
|
Вопросы для самостоятельного изучения:
Особенности конфигурационной изомерии синтетических полимеров.
Стереорегулярные синтетические полимеры.
Форма и размеры изолированной полимерной цепи
Кооперативный характер разрушения вторичных структур белков и полипептидов.
Причины образования компактных структур макромолекулами нуклеиновых кислот.
Выполнение упражнений, решение расчетных задач.
|
6
|
опрос на ПЗ, проверка упражнений, решений задач
|
3.
|
Растворы полимеров
|
Равновесное и неравновесное набухание. Полимерные гели. Степень набухания. Типы фазовых диаграмм системы полимер-растворитель. Влияние молекулярной массы на вид фазовых диаграмм.
Вискозиметрия разбавленных растворов полимеров: определение молекулярной массы, размеров и формы макромолекул в растворе (уравнения Хаггинса, Марка–Куна– Хаувинка и Флори– Фокса). Методы диффузии и седиментации для исследования растворов полимеров.
Расчёты:
энтальпия и энтропия образования идеальных растворов;
энтропия и энтальпия смешения.
|
8
|
опрос на ПЗ, проверка, упражнений, решений задач.
|
4.
|
Полиэлектролиты.
|
Электростатическая составляющая свободной энергии Гиббса Gel.) и ее экспериментальное определение из кривых потенциометрического титрования.
Осмотическое давление растворов полиэлектролитов.
Нуклеиновые кислоты и белки как природные полиамфолиты.
Расчёты:
осмотическое давление растворов полиэлектролитов.
|
6
|
опрос на ПЗ, проверка, упражнений, решений задач.
|
5.
|
Коллоидная химия. Поверхностные явления.
|
Классификация коллоидных систем, понятие о дисперсности.
Получение коллоидных систем: конденсация и диспергирование. Химические способы получения коллоидных систем
Расчёты:
- расчеты выхода продуктов реакции при протекании одной и нескольких химических реакций;
- расчеты констант с использованием таблиц стандартных значений.
|
4
|
опрос на ПЗ, проверка, упражнений, решений задач.
|
6.
|
Молекулярно-кинетические и оптические свойства коллоидов
|
Осмотические свойства. Закономерности светорассеяния и светопоглощения, явление Тиндаля. Оптические методы изучения дисперсных систем, ультрамикроскопия, нефелометрия, турбидиметрия.
Выполнение упражнений, решение расчетных задач.
|
4
|
проверка упражнений, решений задач
|
7.
|
Поверхностные явления в дисперсных системах.
|
Адсорбция из газовой фазы, изотерма Ленгмюра, строение адсорбционного слоя на границе раствор–газ. Адсорбция из растворов, обменная адсорбция, избирательная адсорбция, смачивание, флотация.
Уравнение Фрейндлиха, области его применения.
Выполнение упражнений, решение расчетных задач.
|
4
|
проверка упражнений, решений задач
|
|
Электрические свойства коллоидов.
|
Теория Гельмгольца. Электрокинетического потенциала.
Выполнение упражнений, решение расчетных задач.
|
4
|
проверка упражнений, решений задач
|
|
Устойчивость коллоидных систем.
|
Коагуляция коллоидных систем. Факторы, вызывающие коагуляцию, коагуляция электролитами.
Теории коагуляции: адсорбционная и электростатическая.
Выполнение упражнений, решение расчетных задач.
|
4
|
опрос на ПЗ, проверка, упражнений, решений задач.
|
|
Микрогетерогенные системы.
|
Методы очистки от аэрозолей.
Причины агрегативной неустойчивости.
Методы разрушения аэрозолей.
Коллоидная растворимость (солюбилизация) углеводородов в мицеллах мыла.
Аномальная вязкость растворов ВМС.
Выполнение упражнений, решение расчетных задач.
|
4
|
опрос на ПЗ, проверка, упражнений, решений задач.
|
1.7 Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.
1.7.1 Тематика и планы практических занятий.
Практическое занятие №1 (2 ч.)
Тема: Строение и свойства изолированных молекул.
Вопросы для обсуждения:
Критерии различия ВМС и низкомолекулярных веществ.
Классификация полимеров.
Органические, неорганические, элементоорганические полимеры.
Типы реакций синтеза полимеров.
Кинетика равновесной поликонденсации.
Кинетика радикальной полимеризации.
Реакционная способность мономеров.
Ионная полимеризация.
Катионная полимеризация.
Кинетика катионной полимеризации.
Ионно-координационная полимеризация.
Характер внутри- и межмолекулярных связей в полимерах.
Основная литература.
Шур А.М. Высокомолекулярные соединения: Учеб. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк.,1981, 656 с.
Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров: Учеб. пособие. М.: Высш. шк.,1988, 312 с.
Тугов И.И., Кострыкина Г.И. Химия и физика полимеров: Учеб. пособие. М.: Химия, 1989, 432 с.
Тагер А.А. Физикохимия полимеров: Учеб.пособие.М.: Химия, 1978, 544 с.
Дополнительная литература.
Киреев В.А. Высокомолекулярные соединения: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1992.
Семчиков Ю.Д., Жильцов С.Ф., Кашаева В.Н. Введение в химию полимеров. М.: Высш. шк.,1988, 148 с.
Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1979, 352 с.
Зильберман Е.Н., Наволокина Р.А. Примеры и задачи по химии высоко-молекулярных соединений. М.: Высш. шк., 1984, 224 с.
Синтез высокомолекулярных соединений: Метод. указ. Ч.I. Радикальная полимеризация. Челябинск, 1996, 22 с.
Синтез высокомолекулярных соединений: Метод. указ. Ч.II. Поликонденсация. Химические превращения полимеров.
Челябинск, 1996, 24 с.
Физико-химические свойства полимеров: Метод. указ. Челябинск, 1999, 26 с.
Практическое занятие №2 (2 ч.)
Тема: Растворы полимеров.
Вопросы для обсуждения:
Термодинамика макромолекул в растворе.
Фазовые диаграммы систем полимер─растворитель.
Осмотические явления в растворах полимеров. Определение молекулярных масс.
Современные теории растворов полимеров.
Вязкость разбавленных растворов полимеров. Определение молекулярных масс.
Светорассеяние в растворах полимеров. Определение молекулярных масс.
Диффузия макромолекул в растворах. Определение молекулярных масс. Седиментация макромолекул. Определение молекулярных масс методом ультрацентрифугирования.
Полиэлектролиты. Электростатическая составляющая свободной энергии Гиббса полиионов.
Амфотерные полиэлектролиты.
Изоэлектрическая, изоионная точки. Полиэлектролитные комплексы.
Концентрированные растворы полимеров
Фазовые переходы в полимерах.
Свойства кристаллических полимеров.
Основная литература.
Шур А.М. Высокомолекулярные соединения: Учеб. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк.,1981, 656 с.
Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров: Учеб. пособие. М.: Высш. шк.,1988, 312 с.
Тугов И.И., Кострыкина Г.И. Химия и физика полимеров: Учеб. пособие. М.: Химия, 1989, 432 с.
Тагер А.А. Физикохимия полимеров: Учеб.пособие.М.: Химия, 1978, 544 с.
Дополнительная литература.
Киреев В.А. Высокомолекулярные соединения: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1992.
Семчиков Ю.Д., Жильцов С.Ф., Кашаева В.Н. Введение в химию полимеров. М.: Высш. шк.,1988, 148 с.
Стрепихеев А.А., Деревицкая В.А. Основы химии высокомолекулярных соединений: Учеб. пособие. М.: Химия, 1976, 436 с.
Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1979, 352 с.
Зильберман Е.Н., Наволокина Р.А. Примеры и задачи по химии высоко-молекулярных соединений. М.: Высш. шк., 1984, 224 с.
Физико-химические свойства полимеров: Метод. указ. Челябинск, 1999, 26 с.
Практическое занятие №3 (2 ч.)
Тема: Поверхностные явления в дисперсных системах.
Термодинамика поверхностных явлений.
Вопросы для обсуждения:
Свободная поверхностная энергия. Поверхностные силы. Поверхностное натяжение.
Способы описания термодинамики поверхностных явлений. Метод избыточных термодинамических функций поверхностного слоя (по Гиббсу).
Поверхность разрыва и разделяющая поверхность. Уравнение Гиббса-Гельмгольца для плоской поверхности раздела фаз.
Температурная зависимость поверхностного натяжения жидкости; критическая температура (по Менделееву).
Работа когезии. Связь поверхностной энергии с взаимодействиями между молекулами (атомами, ионами) в конденсированной фазе: с теплотой сублимации, модулем упругости, теоретической прочностью.
Свободная поверхностная энергия твердых тел. Дисперсионные и недисперсионные взаимодействия в полярных и неполярных фазах. Константа Гамакера.
Поверхность раздела между конденсированными фазами. Работа адгезии, ее связь с характеристиками межмолекулярного взаимодействия.
Основная литература.
Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. 2004. Введение, Гл. I.
Фридрихсберг Д.А.. Курс коллоидной химии. 1995. Гл. I, V.
Дополнительная литература.
Ребиндер П.А.. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. Наука. 1979. Статьи 1, 2, 4, 5.Физико-химическая механика. 1979. Статья 20.
Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М. Наука. 1976. Гл.I.
Практическое занятие №4 (2 ч.)
Тема: Адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Вопросы для обсуждения:
Термодинамика адсорбции. Вывод уравнения Гиббса. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества.
Поверхностное натяжение водных растворов ПАВ. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ.
Уравнение Шишковского. Влияние строения молекул ПАВ на поверхностную активность. Правило Траубе-Дюкло.
Работа адсорбции. Уравнение Ленгмюра для мономолекулярной адсорбции. Динамический характер адсорбционного равновесия на поверхности раздела водный раствор ПАВ - газ. Совместное решение уравнений Гиббса и Ленгмюра.
Строение адсорбционных монослоев растворимых ПАВ. Расчет размеров молекул ПАВ.
Двухмерное состояние вещества: ориентация молекул, уравнение состояния. Поверхностное (двухмерное) давление. Весы Ленгмюра.
зотермы двухмерного давления. Основные типы пленок: газообразные, жидкорастянутые, жидкие, твердые. Условия перехода пленки от одного состояния к другому.
Адсорбция ПАВ на поверхности раздела несмешивающихся жидкостей. Адсорбция ПАВ из растворов на поверхности твердых тел. Правило уравнивания полярностей Ребиндера.
Модифицирующее действие ПАВ: гидрофилизация и гидрофобизация твердой поверхности.
Классификация органических ПАВ по молекулярному строению (анион- и катионактивные, неионогенные, амфолитные).
Высокомолекулярные ПАВ (примеры, отличия от низкомолекулярных ПАВ). Проблема биоразлагаемости ПАВ. Понятие о гидрофильно-липофильном балансе (ГЛБ) молекул ПАВ. Классификация ПАВ по механизму их действия (смачиватели, диспергаторы, стабилизаторы, моющие вещества).
Основная литература.
Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. 2004. Введение, Гл. I.
Фридрихсберг Д.А.. Курс коллоидной химии. 1995. Гл. Гл. VI, VII, XI, XII.
Дополнительная литература.
Ребиндер П.А.. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. Наука. 1979. Статьи 7, 9. Физико-химическая механика. 1979. Статья 30.
Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В.. Физико-химические основы смачивания и растекания. М. Наука. 1976. Гл.II.
Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии: Поверхностные явления и дисперсные системы. М. «Альянс». 2004.
Практическое занятие №5 (2 ч.)
Тема: Лиофильные и лиофобные дисперсные системы.
Вопросы для обсуждения:
Лиофильные системы
Методы получения лиофильных коллоидных систем. Самопроизвольное диспергирование макрофаз: критерий самопроизвольного диспергирования (по Ребиндеру-Щукину), примеры.
Мицеллообразование в водных растворах ПАВ. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), основные методы определения ККМ.
Эмпирические закономерности изменения ККМ и минимального значения поверхностного натяжения на границе раздела раствор ПАВ - воздух в гомологических рядах ПАВ.
Термодинамика мицеллообразования: тепловые эффекты, энтропийная природа мицеллобразования ПАВ в водных растворах. Диаграмма фазовых состояний; точка Крафта.
Влияние концентрации ПАВ на строение мицелл. Жидкокристаллические системы.
Образование и строение обратных мицелл. Природа сил при образовании обратных мицелл. Солюбилизация в прямых и обратных мицеллах, зависимость от температуры и концентрации. Микроэмульсии как пример наносистем; условия их образования. Диаграммы состояния трехкомпонентных систем.
Практические приложения мицеллярных систем и микроэмульсий (в химии, нефтедобыче, биологии).
Лиофобные системы
Получение лиофобных дисперсных систем. Диспергационные методы, связь работы диспергирования с поверхностной энергией твердых тел.
Конденсационные методы. Термодинамика гомогенного и гетерогенного образования дисперсных частиц при фазовых переходах (по Гиббсу, Фольмеру). Работа образования зародышей новой фазы, зависимость размера критического зародыша от метастабильности исходной макрофазы.
Образование дисперсных частиц при кристаллизации из растворов и расплавов, при конденсации пересыщенного пара, при кипении. Кинетика образования и роста частиц новой фазы.
Химические и физические методы получения дисперсных систем (золей, эмульсий, пен, аэрозолей).
сновные методы очистки коллоидных растворов (диализ, ультрафильтрация, мембранные методы очистки дисперсных систем).
Методы регулирования размеров частиц в дисперсных системах.
Основная литература.
Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. 2004. Введение, Гл. I.
Фридрихсберг Д.А.. Курс коллоидной химии. 1995. Гл. I, V.
Дополнительная литература.
Ребиндер П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. Наука. 1979. Статьи 1, 2, 4, 5.Физико-химическая механика. 1979. Статья 20.
Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В.. Физико-химические основы смачивания и растекания. М. Наука. 1976. Гл.I.
Основная литература.
Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. 2004. Введение, Гл. I.
Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. 1995. III, XIII, XIV, XV.
Дополнительная литература.
Ребиндер П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. Наука. 1979. Статьи 1, 2, 4, 5.Физико-химическая механика. 1979. Статья 20.
Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. Высшая школа.1976. Гл. III, VIII, X, XI, XII.
Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии: Поверхностные явления и дисперсные системы. М. «Альянс». 2004.
1.7.2 Тематика и планы лабораторных работ по изученному материалу.
Лабораторная работа № 1(2ч.)
Тема: Химические методы исследования полимеров.
Методы определения функциональных групп
1.Определение карбоксильных групп и кислотного числа.
Содержание карбоксильных групп и кислотного числа определяют титрованием растворенной навески исследуемого вещества щелочью:
В зависимости от применяемого растворителя и растворимости исследуемого вещества применяют спиртовый или водный раствор щелочи. В качестве растворителя можно применять спирт, спирто-эфирную или спирто-бензольную (1:1) смесь, ацетон, диоксан и др.
Ход определения:
В колбу помещают 0,3 - 1 г исследуемого вещества, взвешенную с точностью 0,0002 г, добавляют 15-30 мл растворителя и после растворения титруют из микробюретки 0,1N раствором щелочи в присутствии фенолфталеина (в присутствии -нафтолфталеина для окрашенных соединений) до появления розовой (синей) окраски раствора.
Содержание карбоксильных групп Х(%) рассчитывают по формуле:
где V - объем щелочи, пошедший на титрование,
N - нормальность раствора щелочи
45 - молекулярный вес СООН- группы
g - вес навески, г
Кислотное число характеризуется количеством КОН (в мг), которое необходимо для нейтрализации карбоксильных групп, содержащихся в 1 г анализируемого вещества.
Кислотное число (КЧ) рассчитывается по формуле:
где N - нормальность раствора щелочи,
V - количество щелочи, пошедшее на титрование,
56 - молекулярный вес КОН,
g - масса навески, г
В случае, когда исследуемые вещества (например, полиамиды) нерастворимы в большинстве растворителей, для определения карбоксильных групп используют метод обратного титрования, добавляя к навеске избыток раствора щелочи с последующим титрованием соляной кислотой.
2. Определение содержания гидроксильных групп и гидроксильного числа.
Метод применим для определения первичных и вторичных спиртов, и не применим для определения третичных спиртов. Метод основан на способности спиртов взаимодействовать с уксусным ангидридом с образованием сложного эфира.
Для ацетилирования применяют смесь уксусного ангидрида и пиридина. Пиридин связывает выделяющуюся уксусную кислоту, делая невозможной обратную реакцию гидролиза.
Соль пиридина, устойчивая в безводной среде, разлагается водой. Выделившуюся при этом уксусную кислоту оттитровывают щелочью.
Ход определения:
В колбу помещают навеску измельченного и высушенного исследуемого гидроксилсодержащего соединения, массой 0,2- 0,5 г, взвешенного с точностью до 0,0002 г. Добавляют пипеткой 20 мл ацетилирующей смеси. Подсоединив к колбе обратный холодильник, нагревают смесь на кипящей водяной бане в течение 1-2-ч. После охлаждения в колбу через верх холодильника добавляют 50 мл дистиллированной воды (для гидролиза уксусного ангидрида и соли пиридина). Смесь нагревают на водяной бане 10 мин. Охлажденную смесь титруют 0,5 N щелочью в присутствии фенолфталеина до появления розовой окраски.
Анализируют две пробы, проводя одновременно в тех же условиях контрольный опыт. Содержание гидроксильных групп Х (%) рассчитывается по формуле:
где V1 - объем раствора щелочи, пошедший на титрование холостой пробы,
V2 - объем раствора щелочи, пошедший на титрование рабочей пробы,
N- нормальность ипользуемого раствора щелочи,
g - масса навески, г,
17 – молекулярная масса ОН-группы.
Т.к. ацелирование гидроксильных групп при их определении можно проводить различными ангидридами, для единой характеристики вводят понятие гидроксильного числа. Гидроксильное число (ГЧ) выражается количеством мг КОН, необходимых для нейтрализации ангидрида, прореагировавшего с гидроксильными группами, которые содержатся в 1 г вещества (мг КОН/г).
Определение ГЧ проводят, ацетилируя полиэфир по описанной методике. Навеска полиэфира обычно составляет 1-2 г, нагревание проводят при температуре 600С в течение 2 ч.
Расчитывают гидроксильное число по формуле:
где V1 - объем раствора щелочи, пошедший на титрование холостой пробы,
V2 - объем раствора щелочи, пошедший на титрование рабочей пробы,
N - нормальность используемого раствора щелочи,
g - масса навески, г,
56 - молекулярный вес КОН.
3.Определение непредельных связей. Определение иодного числа.
Бромид-броматный метод. Метод основан на способности непредельных соединений (эфиров акриловой кислоты и т.п.) присоединять по двойной связи бром, выделяющийся по реакции:
При добавлении иодистого калия избыток брома вытесняет эквивалентное количество иода, который оттитровывают раствором тиосульфата натрия:
Иодное число (мгI2/г), характеризуется как количество иода, способное присоединиться по двойным связям исследуемого вещества, взятого в количестве 1 г.
Реактивы:
KBr-KВrO3, 0,1N раствор
Уксусная кислота, 50%-ная
НСl, конц.
КI, 10%-ный
Na2S2O3, 0,1N раствор
Ход определения:
|
