ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ТЕМЫ
ПО КУРСУ ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИИ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ДНЕВНОГО ОТДЕЛЕНИЯ
ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА
(II КУРС)
Предмет, задачи и методы физической химии. Основные понятия термодинамики: термодинамическая система (изолированная, открытая, закрытая), термодинамические параметры, состояние термодинамической системы, функция состояния, процесс.
Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия - функция состояния системы. Работа. Теплота. Расчет работы и теплоты для изохорного, изобарного, изотермического и адиабатического процессов. Энтальпия - функция состояния системы.
Термохимия, ее задачи. Теплота химических реакций. Стан дартное состояние вещества. Стандартные теплоты образования и сго рания веществ. Закон Гесса, его применение при изучении биологических систем.
Уравнение Кирхгофа, его анализ. Интегральные формы урав нения Кирхгофа, их применение.
Процессы обратимые и необратимые в термодинамическом смысле. Самопроизвольные процессы. Цикл Карно как пример обратимого процесса. КПД цикла Карно. Максимальная работа процесса. Второе начало термодинамики, его энтропийная формулировка. Энтропия - функция состояния системы, её определение.
Изменение энтропии в изолированных системах. Энтропия как критерий равновесия и самопроизвольного протекания процессов в изолированных системах. Расчет изменения энтропии в изотермических процессах и процессах, идущих с нагреванием. Изменение энтропии идеального газа. Третье начало термодинамики. Абсолютная энтропия. Стандартная энтропия.
Статистический характер второго начала термодинамики. Связь между энтропией и термодинамической вероятностью состояния системы. Формула Больцмана. Энтропия как мера неупорядоченности системы.
Энергетические функции состояния - энергия Гельмгольца, взаимосвязь с максимальной работой процесса; энергия Гиббса, ее связь с максимально полезной работой.
Термодинамические потенциалы. Энергия Гиббса и энергия Гельмгольца как критерии самопроизвольного протекания процесса. Критерии равновесия. Формулировка 2-го начала термодинамики для изобарно-изотермического процесса. Стандартная энергия Гиббса, применение для биосистем.
Химический потенциал, его определение. Свойства химичес-кого потенциала. Концентрация и термодинамическая активность вещества. Модельные представления о химическом потенциале.
Химический потенциал как критерий химического равновесия. Термодинамический вывод закона действующих масс. Уравнение изотермы химической реакции, его анализ.
Зависимость константы химического равновесия от темпера-туры (уравнение изобары химической реакции). Расчет константы химического равновесия с помощью стандартных термодинамических величин. Влияние температуры и давления на химическое равновесие. Принцип Ле Шателье и его термодинамическое обоснование.
13. Термодинамика фазовых равновесий. Основные понятия.
Гомогенная система, составляющее вещество, компоненты. Правило фаз
Гиббса.
14. Однокомпонентные системы. Диаграммы состояния однокомпо-
нентных систем (вода, сера).
15. Зависимость давления насыщенного пара от температуры.
Уравнение Клапейрона–Клаузиуса, его вывод, анализ. Энтропийная
диаграмма фазовых переходов.
16. Фазовые равновесия в однокомпонентных двухфазных
системах. Уравнение Клапейрона–Клаузиуса, их описывающее. Его
графическая интерпретация.
Фазовые равновесия. Диаграммы плавления бинарных (двух-компонентных) систем. Термический анализ (на примере системы Sв–Рв).
Жидкие бинарные системы. Диаграммы кипения (на примере системы “бензол–толуол”). Первый закон Коновалова. Перегонка. Ректификация.
Жидкие бинарные системы с ограниченной растворимостью. Верхняя и нижняя критические температуры растворения. Примеры.
Термодинамический анализ фазовых равновесий. Вывод общего закона распределения компонента между двумя фазами (ОЭРК). Термодинамический коэффициент распределения компонента между двумя фазами.
Идеальные растворы. Химический потенциал компонента в идеальных растворах, его зависимость от температуры и концентрации. Закон Рауля, его термодинамическое обоснование.
22. Термодинамика фазовых равновесий трехкомпонентных систем.
Концентрационный закон распределения компонента между двумя
фазами (закон Нернста–Шилова). Графический расчет параметров
распределения. Применение в фармации.
23. Экстракция. Применение экстракции при переработке лекар-
ственного сырья. Расчет количества извлекаемого вещества. Дробная
экстракция.
Термодинамика реальных растворов. «Положительные» и «отрицательные» отклонения от закона Рауля. Типы диаграмм: состав— давление пара, состав—температура кипения. Азеотропы. 2-й закон Коновалова. Возможности фракционной перегонки.
Давление пара над смесью взаимонерастворимых жидкостей. Теоретические основы перегонки с водяным паром.
Разбавленные растворы. Коллигативные свойства растворов, их взаимосвязь. Криоскопия, эбулиоскопия. Зависимость криоскопической постоянной от свойств растворителя. Определение молярных масс методом криоскопии.
Закон Рауля и следствия из него для разбавленных растворов нелетучих веществ в летучих растворителях.
Термодинамика растворов электролитов. Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент, его определение методом криометрии (на примере лабораторной работы). Осмоляльность физиологических растворов.
Теория растворов сильных электролитов Дебая–Хюккеля. Коэффициент активности, его расчет.
Ионная сила раствора. «Предельный» закон Дебая–Хюккеля. Расчет коэффициента активности электролита для разбавленных и концентрированных растворов.
Растворимость газов в жидкостях. Закон Генри. Растворимость твердых веществ в жидкостях, связь растворимости с химическим потенциалом растворенного вещества. Высаливание. Закон Сеченова.
Зависимость растворимости твердых веществ от температуры. Уравнение Шредера. Применимость принципа Ле Шателье.
Растворы слабых и сильных электролитов. Закон разведения Оствальда. Удельная и эквивалентная электрические проводимости, их зависимость от концентрации и степени диссоциации электролита.
Удельная и эквивалентная электропроводность. Связь эквивалентной электропроводности со степенью диссоциации и под-вижностью ионов. Закон независимого движения ионов Кольрауша.
Буферные системы и растворы. Примеры буферов. Механизм их действия. Буферная емкость и факторы, влияющие на нее. Практическое и биологическое значение буферных систем.
Термодинамика электрохимических процессов. Энергетика переноса электронов в окислительно-восстановительном процессе. Примеры из химии и биохимии.
Химические источники тока (ХИТ), их устройство, условная запись. Примеры.
38. Термодинамика электродных процессов. Вывод и анализ уравнения Нернста для ЭДС гальванического элемента. Примеры.
Уравнение Нернста для электродных потенциалов. Стан-дартный электродный потенциал. Примеры.
Водородный электрод. Его устройство. Уравнение Нернста для водородного электрода. Стеклянный электрод. Потенциометрическое определение рН.
Классификация электродов и электрохимических цепей. Электроды второго рода. Каломельный электрод: устройство, электродная реакция, уравнение Нернста. Каломельный электрод как электрод сравнения.
Окислительно-восстановительные электроды. Хингидронный электрод: устройство, электродная реакция, уравнение Нернста. Потенциометрическое определение рН. Потенциометрическое титрование.
Химическая кинетика и катализ. Понятия: физическая кинетика, химическая кинетика, фармакокинетика, простые и сложные реакции. Молекулярность реакции. Закон (уравнение) кинетики реакции. Кинетическая кривая. Методы исследования кинетики.
Зависимость скорости процесса от концентрации реагирующих веществ. Закон действующих масс – общий дифференциальный закон химической кинетики. Частный и общий порядок реакции. Дифференциальные кинетические законы (уравнения) реакций нулевого, первого, второго порядков. Примеры.
Интегральные кинетические законы (уравнения). Вывод Инте-грального кинетического закона для реакций 1-го порядка. Вид и анализ кинетических кривых. Время полупревращения для реакции 1-го порядка. Примеры: химическая кинетика, фармакокинетика, радиоактивный распад.
Реакции 2-го порядка. Вывод интегрального кинетического закона для реакций 2-го порядка. Вид и анализ кинетических кривых. Время полупревращения для реакций 2-го порядка. Примеры.
Зависимость скорости химической реакции от температуры. Уравнение Аррениуса, его графическая форма. Энергия активации, ее определение. Температурный коэффициент Вант–Гоффа, вывод из уравнения Аррениуса.
Теория активных столкновений (ТАС), ее положения. Энергия активации и предэкспоненциальный множитель уравнения Аррениуса по ТАС. Недостатки ТАС.
Теория переходного состояния (теория активированного комплекса). Вывод основного уравнения. Физический смысл энергии активации и предэкспоненциального множителя уравнения Аррениуса по теории переходного состояния.
50. Сложные реакции (параллельные, последовательные, обра-
тимые, сопряженные). Кинетика последовательных реакций. Частные
случаи кинетики сложных реакций.
Кинетика сложных процессов. Представление о фармако-кинетике, ее задачах и методах.
Фотохимические реакции. Закон фотохимической экви-валентности Эйнштейна. Квантовый выход реакции. Сенсибилизаторы.
Особенности кинетики цепных реакций. Основные этапы цепных реакций. Механизм обрыва цепей. Примеры разветвленных и неразветвленных цепных реакций.
Электрохимическая кинетика. Перенапряжение электрода, его измерение. Катодная реакция, анодная реакция.
Электрохимическая кинетика. Три стадии электродного про-цесса, протекающего на рабочем электроде; лимитирующая стадия. Диффузный ток, его связь с градиентом концентрации ионов (первый закон Фика). Катодный ток, анодный ток. Определение количества выделившегося вещества в растворе.
Полярография. Схема полярографа. Полярографическая волна, потенциал полуволны. Полярограмма смеси компонентов (пример).
Гетерогенные реакции. Скорость гетерогенных реакций. Кине-тическая и диффузионная области гетерогенных процессов.
58. Гомогенный и гетерогенный катализ (примеры). Положи-
тельный и отрицательный катализ. Биологические катализаторы-
ферменты, металлоферменты (примеры).
Кислотно-основной катализ. Примеры кислотного катализа (из лабораторного практикума).
Гетерогенный катализ. Основные стадии гетерогенно-катали-тического процесса. Скорость гетерогенно-каталитических процессов и факторы, влияющие на нее. Примеры гетерогенно-каталитических процессов в фармации.
61. Ферментативный катализ. Кинетическая кривая субстрата.
Ферментсубстратный комплекс. Уравнение Михаэлиса–Ментен, его
анализ, графическое определение констант уравнения.
Термодинамика поверхностного слоя. Поверхностная энергия Гиббса. Поверхностное натяжение, его термодинамическая и силовая трактовка.
Термодинамика дисперсных систем с учетом поверхности раздела фаз. Зависимость поверхностного натяжения от температуры. Связь поверхностной энергии Гиббса с поверхностной энтальпией. Энтальпия смачивания и коэффициент гидрофильности.
Термодинамика 2 и 3 компонентных систем с учетом поверхности раздела фаз. Адсорбция, абсорбция, их определение. Типы изотерм поверхностного натяжения. Поверхностная активность, ее определение.
Молекулярные механизмы адсорбции. Строение мономолеку-лярного слоя поверхностно-активного вещества (ПАВ) на границе “жидкость–газ”. Определение геометрических размеров молекулы ПАВ и адсорбционно-насыщенного монослоя ПАВ.
Изотермы поверхностного натяжения гомологических рядов ПАВ. Правило Дюкло–Траубе. Уравнение Шишковского, физический смысл констант уравнения.
Уравнение изотермы адсорбции Гиббса, его вывод, анализ. Связь уравнения Гиббса с уравнением Лэнгмюра. Анализ уравнения Лэнгмюра. Изотерма мономолекулярной адсорбции (ответ проиллюстри-ровать задачей лабораторного практикума).
Уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра, его термодинами-ческий вывод (с применением закона действующих масс).
Полимолекулярная адсорбция, ее механизм, вид изотермы адсорбции. Капиллярная конденсация. Влияние температуры на адсорбцию.
Адсорбция сильных электролитов. Избирательная адсорбция. Правило Панета–Фаянса. Лиотропные ряды ионов.
Ионообменная адсорбция. Иониты, их классификация; реакции, протекающие на ионитах. Обменная емкость ионита, ее расчет. Хроматография. Сущность метода.
Коллоидная химия. Основные понятия: дисперсная фаза, дисперсионная среда, дисперсность. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз, другие типы классификации.
Методы получения дисперсных систем (пример из лабора-торного практикума). Важнейшие условия получения агрегативно устойчивых дисперсных систем.
Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. Диффузия, коэффициент диффузии, его расчет. Броуновское движение. Уравнение Эйнштейна.
Осмотическое давление в дисперсных системах. Осмометры. Расчет осмотического давления, его связь с частичной концентрацией коллоидного раствора. Уравнение Вант-Гоффа.
Седиментация дисперсных систем. Седиментационная устой-чивость. Скорость седиментации, ее связь с размером дисперсных частиц. Уравнение Стокса. Седиментационный метод определения размеров частиц. Принцип работы и устройство седиментометра. Седимента-ционно-диффузионное равновесие.
Оптические свойства дисперсных систем. Опалесценция. Уравнение Рэлея, его анализ, область применимости. Ультрамикроскопия.
Электрокинетические свойства коллоидных систем. Причины возникновения электрического заряда на границе раздела фаз, его экспериментальное обнаружение.
79. Строение двойного электрического слоя (ДЭС) по теории Штерна.
Мицелла (частица золя), агрегат, ядро, коллоидная частица. Разобрать на
примере частиц гидрозолей железа(III) гидроксида, серебра йодида.
Строение двойного электрического слоя (ДЭС) по теории Штерна. Заряд и электрокинетический потенциал коллоидной частицы, их взаимосвязь с радиусом частицы дисперсной фазы.
Электрофорез, электроосмос. Электрофоретическая скорость, электрофоретическая подвижность частиц дисперсной фазы, связь с электрокинетическим потенциалом, уравнение Смолуховского.
Природа устойчивости дисперсных систем. Виды устойчивости дисперсных систем. Термодинамическая устойчивость, ее количественное выражение.
Молекулярно-кинетические факторы устойчивости. Агрегатив-ная устойчивость дисперсных систем. Электростатический, адсорбционно-сольватный и структурно-механический факторы агрегативной устойчивости. Агрегация и коагуляция частиц дисперсной фазы. Отдельные стадии коагуляции.
Закономерности и механизм коагуляции. Теория устойчивости ионостабилизированных дисперсных систем - теория ДЛФО. Потенциальная кривая парного взаимодействия ионостабилизированных частиц, ее анализ.
Электролитная коагуляция, правила электролитной коагуляции, порог электролитной коагуляции, его определение. Правило Шульце-Гарди. Чередование зон коагуляции. Гетерокоагуляция.
Кинетика коагуляции. Медленная и быстрая коагуляция. Кинетика быстрой коагуляции по Смолуховскому. Кинетические кривые. Время половинной коагуляции.
Защита дисперсных систем от коагуляции. Вещества, исполь зуемые для коллоидной защиты; защитное число, его определение. Пептизация. Гелеобразование.
Разные классы дисперсных систем. Методы получения аэро золей, суспензий, эмульсий, порошков. Седиментационная устойчивость суспензий, эмульсий, аэрозолей. Агрегативная устойчивость суспензий и эмульсий, механизмы их стабилизации. Разрушение аэрозолей.
Эмульсии, их типы. Методы идентификации эмульсий. Эмульгаторы, механизмы их действия. Коалесценция. Разрушение эмульсий электролитами. Обращение фаз эмульсий, его механизм (проиллюстрировать задачей из лабораторного практикума).
Мицеллярные коллоидные системы. Классификация коллоидных ПАВ (МПАВ). Мицеллообразование в растворах ПАВ. Критическая концентрация мицеллообразования. Солюбилизирующая способность ПАВ.
91. Термодинамика и механизм мицеллообразования.
Методы определения критической концентрации мицелло-образования (ответ проиллюстрировать примерами из лабораторного практикума).
Молекулярные коллоидные системы. Классификация высоко-молекулярных соединений (ВМС). Гибкость цепи полимеров. Внутреннее вращение звеньев в макромолекулах ВМС. Вращательный барьер.
Механические свойства полимерных материалов. Упруго-твердое, высокоэластичное, пластичное (вязко-тягучее) состояния полимеров. Вид деформационных кривых. Термодинамика деформации. Пластификация полимеров.
Набухание и растворение ВМС. Кинетика набухания. Кинетические кривые. Термодинамика набухания и растворения ВМС. Влияние различных факторов на степень набухания. Лиотропные ряды Гофмейстера.
Вязкость растворов полимеров. Законы Ньютона и Пуазейля, причины аномальной вязкости.
Методы измерения вязкости растворов ВМС. Удельная, приведенная и характеристическая вязкость. Уравнение Штаудингера, его модификация. Определение молярной массы полимера вискозиметричес-ким методом (ответ проиллюстрировать задачей из лабораторного практикума).
Коллигативные свойства растворов ВМС. Осмотическое давление растворов полимерных неэлектролитов. Отклонение от закона Вант-Гоффа. Уравнение Галлера, его анализ. Определение молярной массы полимерных неэлектролитов.
Полиамфолиты. Изоэлектрическая точка полиамфолитов и ме-тоды ее определения.
100. Полиэлектролиты. Осмотическое давление растворов
полиэлектролитов. Мембранное равновесие Доннана.
Нарушение устойчивости растворов ВМС. Высаливание, коацервация, ее использование при микрокапсулировании.
Свойства студней: синерезис, диффузия и периодические реакции.
103. Образцы ситуационных задач:
1) Экстракция. На примере лабораторной работы “Изучение гетерогенного равновесия на примере определения коэффициента распределения дийода в системе «хлороформ-вода»” изложить теоретические основы фотоэлектро-колориметрического метода определения концентрации вещества в растворе, методику эксперимента. Привести основные уравнения и расчетные
формулы, требуемые для обработки результатов
эксперимента; соответствующие графические
иллюстрации. Привести примеры использования данного
физико-химического метода для объектов
фармацевтического профиля.
Фазовые равновесия. На примере лабораторной работы “Диаграмма плавления бинарной смеси: «аспирин – амидопирин»” изложить теоретические основы термического метода анализа бинарных смесей и построения их фазовых диаграмм плавления, методику эксперимента. Привести основные уравнения и расчетные формулы, требуемые для обработки результатов эксперимента; соответствующие графические иллюстрации. Привести примеры использования данного физико-химического метода для объектов фармацевтического профиля.
Электрохимические методы анализа. На примере лабораторной работы «Потенциометрическое определение рН растворов с использованием стеклянного электрода. Свойства ацетатного буферного раствора» изложить теоретические основы метода прямой потенциометрии, методику эксперимента, охарактеризовать применяемую электродную систему. Привести основные уравнения и расчетные формулы, требуемые для обработки результатов эксперимента; соответствующие графические иллюстрации. Привести примеры использования данного физико-химического метода для объектов фармацевтического профиля.
Химическая кинетика. На примере лабораторной работы «Изучение кинетики реакции гидролиза сахарозы» изложить теоретические основы поляриметрического метода изучения кинетики реакции, методику эксперимента. Привести основные уравнения и расчетные формулы, требуемые для обработки результатов эксперимента; соответствующие графические иллюстрации. Привести примеры использования данного физико-химического метода для объектов фармацевтического профиля.
Поверхностные явления. На примере лабораторной работы «Адсорбция уксусной кислоты из водного раствора на активированном угле» изложить теоретические основы метода титрования с индикатором как метода оценки адсорбции на подвижной границе раздела фаз «тв-ж», методику эксперимента. Привести основные уравнения и расчетные формулы, требуемые для обработки результатов эксперимента; соответствующие графические иллюстрации. Привести примеры использования данного физико-химического метода для объектов фармацевтического профиля.
6) Лиофобные дисперсные системы – золи и эмульсии. На
примере лабораторной работы «Получение эмульсий и
изучение их коллоидно-химических свойств» перечислить
различные способы идентификации эмульсий, изложить
методику оценки их устойчивости к действию электролитов,
а также способности к обращению фаз. Сформулировать
основные теоретические положения а) получения агрегативно
устойчивых эмульсий, б) выбора эмульгаторов,
в) электролитной коагуляции и коалесценции данных систем.
Привести примеры использования данных коллоидно-
химических методик для объектов фармацевтического
профиля.
7) Лиофильные дисперсные системы – растворы МПАВ
и ВМС. На примере лабораторной работы «Определение
критической концентрации мицеллообразования (ККМ)
лиофильных дисперсных систем» изложить теоретические
основы сталагмометрического, фотоэлектроколори-
метрического методов, а также метода титрования
с красителем применительно к определению ККМ
лиофильных дисперсных систем. Изложить методику
эксперимента. Привести основные уравнения и расчетные
формулы, требуемые для обработки результатов эксперимен-
та; соответствующие графические иллюстрации. Привести
примеры использования данных физико-химических
и коллоидно-химических методов для объектов
фармацевтического профиля. |
