Аннотированное содержание программы
дисциплины «Физическая и коллоидная химия»
по специальности «Фармация» 060301
Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет 6 зачетных единиц, 216 часов. Продолжительность изучения дисциплины II, III семестры.
Цели дисциплины – научить студентов фармацевтического факультета:
осуществлять взаимосвязь между физическими и химическими формами существования материи;
формировать систему знаний, необходимых при рассмотрении физико-химической сущности процессов, протекающих в организме человека;
формировать умения определять параметры этих процессов, что позволит более глубоко понять функции отдельных систем организма, а также действия на него различных лекарственных препаратов;
научить основным законам физической и коллоидной химии, необходимых для понимания природы и механизма химических реакций, лежащих в основе создания новых высокоэффективных технологий синтеза разнообразных веществ и совершенствования существующих;
понимать, что как фундаментальная наука физическая и коллоидная химия является частью практической базы современной фармации.
Задачи дисциплины:
лекционного курса – научить студентов логическому мышлению, анализу и прогнозированию, через систему понятий, определений, формулировок навыков и подготовить студентов к последующей самостоятельной работе.
практического курса – закрепить теоретический материал на конкретных примерах и ознакомить с реальным значением тех общих теоретических закономерностей, которые излагаются на лекциях и в методических указаниях; сформировать умения и навыки для решения проблемных и ситуационных задач; сформировать практические навыки к постановке и выполнению экзаменационной работы.
Содержание разделов учебной программы
№ п/п
|
Наименование раздела дисциплины
|
Содержание раздела
|
1.
|
Введение
|
Предмет, задачи и методы физической и коллоидной химии. Основные этапы развития и место физической и коллоидной химии среди других наук. Значение для фармации. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии физической и коллоидной химии.
|
2.
|
Химическая термодинамика
|
Предмет и методы химической термодинамики. Основные понятия и определения: системы, состояние системы, функции состояния и функции процесса. Внутренняя энергия системы. Теплота. Работа. Химическая термодинамика как теоретическая основа биоэнергетики.
Первое начало термодинамики. Энтальпия. Термохимия. Закон Гесса. Изобарный и изохорный тепловые эффекты. Следствия из закона Гесса. Термохимические уравнения. Стандартные энтальпии образования и сгорания веществ. Термохимические расчеты и их использование для энергетической характеристики биохимических процессов. Зависимость энтальпии реакции от температуры, уравнение Кирхгофа.
Второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Процесс жизнедеятельности как пример необратимых процессов. Формулировки, аналитическое выражение второго закона термодинамики. Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Энтропия, ее статистическое толкование и ее связь с термодинамической вероятностью состояния системы. Формула Больцмана. Изменение энтропии как критерий самопроизвольности процессов и равновесия в изолированных средах.
Термодинамические потенциалы. Энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал). Энергия Гельмгольца (изохорно-изотермический потенциал). Расчет энергии Гиббса, энергии Гельмгольца и их использование в качестве критериев направленности процессов в неизолированных системах. Энтальпийный и энтропийный факторы. Понятие о химическом потенциале и химическом сродстве.
Организм как открытая система. Стационарное состояние организма. Применимость основных закономерностей термодинамики к живым организмам.
Химическое равновесие. Закон действующих масс. Константа химичеcкого равновесия; способы ее выражения (Kp, KC) и связь между ними. Смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье. Уравнение изотермы химической реакции. Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнение изобары и изохоры Вант-Гоффа.
|
3.
|
Термодинамика фазовых равновесий
|
Основные понятия: фаза, составляющие вещества, компоненты. Число компонентов, число степеней свободы. Правило фаз Гиббса. Фазовые превращения и равновесия: испарение, сублимация, плавление, изменение аллотропной модификации.
Однокомпонентные системы. Диаграммы состояния однокомпонентных систем (вода, сера). Уравнение Клапейрона – Клаузиуса.
Двухкомпонентные системы. Идеальные и реальные растворы. Давление насыщенного пара над растворами. Закон Рауля. Положительное и отрицательное отклонение от закона Рауля. Диаграммы равновесия «ЖП» в двухкомпонентых системах. Законы Коновалова. Азеотропные растворы с максимумом и минимумом температуры кипения. Перегонка. Взаимная растворимость жидкостей (ограниченно растворимые жидкости).
Диаграммы состояния «Т – Ж» в двухкомпонентных системах. Диаграммы плавкости бинарных систем: а) системы растворимые в жидком состоянии и нерастворимые в твердом состоянии; б) системы, образующие устойчивые химические соединения. Термический анализ. Кривые охлаждения и построение на их основе диаграмм состояния. Использование правила фаз Гиббса для анализа диаграмм состояния.
Трехкомпонентные системы. Способы определения состава трехкомпонентных систем. Трехкомпонентные системы, образованные тремя жидкостями. Распределение третьего вещества в двухфазной системе. Закон распределения Нернста. Коэффициент распределения. Экстракция. Принципы получения настоек и отваров.
|
4.
|
Термодинамика разбавленных растворов
|
Коллигативные свойства растворов: понижение давление насыщенного пара, повышение температуры кипения, понижение температура замерзания растворов зависимость их от концентрации растворов. Эбулиоскопическая и криоскопическая постоянные, их физический смысл. Практическое использование этих свойств.
Осмос и осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа. Изо-, гипо-, и гипертонические растворы. Роль осмоса в живых организмах. Явления плазмолиза, гемолиза, тургора.
Взаимосвязь между коллигативными свойствами разбавленных растворов нелетучих неэлектролитов. Практическое использование методов криометрии, эбулиометрии и осмометрии.
Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент.
|
5.
|
Электрохимия
|
Ионные равновесия в растворах. Теория растворов сильных электролитов Дебая и Хюккеля. Понятие об ионной атмосфере. Активность ионов и ее связь с концентрацией. Коэффициент активности и зависимость его величины от общей концентрации электролитов в растворе.
Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель. Буферные растворы и механизм их действия. Буферная емкость и факторы, влияющие на ее величину. Практическое и биологическое значение буферных систем. Методы определения рН растворов.
Электропроводность растворов. Проводники первого и второго рода. Удельная, молярная и эквивалентная электропроводность, факторы, от которых они зависят. Подвижность ионов, абсолютная скорость движения ионов. Закон Кольрауша. Кондуктометрическое титрование и его применение в фармацевтической практике.
Физикохимия электродных процессов. Механизм образования двойного электрического слоя на границе раздела металл – раствор. Электродный потенциал, зависимость его от температуры и концентрации раствора. Уравнение Нернста.
Классификация электродов: а) электроды сравнения (водородный, хлорсеребряный); б)индикаторные электроды (водородный, стеклянный). Ионселективные электроды, их применение в биологии, медицине и фармации.
Гальванические элементы: химические, концентрационные. Теоретический расчет ЭДС гальванических элементов. Компенсационный метод измерения ЭДС.
Электрометрический метод измерения pH растворов. Потенциометрическое титрование. Полярография. Значение этих методов в фармацевтической практике.
|
6.
|
Кинетика
|
Предмет и методы химической кинетики. Основные понятия.. Скорость гомогенных химических реакций и методы ее измерения. Зависимость скорости реакции от различных факторов.
Влияние концентрации. Закон действующих масс. Молекулярность и порядок реакции. Уравнения кинетики реакций нулевого, первого и второго порядков. Период полупревращения. Методы определения порядка реакции.
Влияние температуры. Правило Вант-Гоффа. Температурный коэффициент скорости реакции. Уравнение Аррениуса. Энергия активации, ее определение на основе экспериментальных данных. Ускоренные методы определения срока годности лекарственных препаратов. Влияние различных факторов на процессы деструкции лекарственных веществ. Способы расчета сроков годности лекарственных веществ.
Теории химической кинетики: Теории химической кинетики: теория активных соударений, стерический фактор. Теория активированного комплекса. Энергия активации активированного комплекса. Расчет константы скорости реакции.
Катализ. Общие закономерности катализа. Типы катализа: гомогенный, гетерогенный, ферментативный. Механизм действия катализатора. Гомогенный катализ, общие кинетические закономерности. Гетерогенный катализ, основные его стадии. Теории гетерогенного катализа: (теория активных центров, теория мультиплетов А.А. Баландина, теория активных ансамблей Н.И. Кобозева). Ферментативный катализ и его особенности. Константа Михаэлиса. Роль промоторов и ингибиторов в катализе.
Основные понятия кинетики сложных реакций: обратимые, параллельные, последовательные, сопряженные. Превращения лекарственного вещества в организме как совокупность последовательных процессов. Константа всасывания и константа элиминации. Фотохимические реакции, закон эквивалентности Эйнштейна. Квантовый выход реакции. Цепные реакции (неразветвленные и разветвленные), их механизм.
Роль кинетических закономерностей в фармацевтической практике.
|
7.
|
Физикохимия поверхностных явлений
|
Термодинамика поверхностного слоя. Поверхностные явления и их значение в фармации. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение.
Адсорбция на границе раздела Ж–Г, Ж–Ж. Уравнение Гиббса и его анализ. Поверхностно-активные (ПАВ), поверхностно-инактивные (ПИВ) и поверхностно-неактивные (ПНВ) вещества. Свойства и особенности ПАВ. Поверхностная активность. Правило Дюкло - Траубе. Мембраны на основе ПАВ. Возможности использования поверхностных явлений для приготовления лекарственных форм.
Адсорбция на границе раздела Т–Г, Т–Ж. Теории адсорбции (Ленгмюра, Поляни, БЭТ). Факторы, влияющие на величину адсорбции. Уравнения Фрейндлиха и Лэнгмюра, определение их констант по экспериментальным данным.
Адсорбция электролитов из растворов. Эквивалентная и избирательная адсорбция ионов. Правило Панета – Фаянса. Ионообменная адсорбция. Иониты и их классификация. Применение ионитов в фармации.
Хроматография. Классификация хроматографических методов по технике выполнения и механизму процесса. Применение хроматографии для разделения и анализа лекарственных веществ. Гель-фильтрация.
|
8.
|
Физикохимия дисперсных систем
|
Дисперсные системы. Дисперсная фаза и дисперсионная среда. Степень дисперсности. Классификация дисперсных систем. Конденсационные и диспергационные методы получения дисперсных систем. Очистка коллоидных растворов. Диализ, электродиализ, ультрафильтрация.
Молекулярно-кинетические и оптические свойства. Броуновское движение, диффузия и осмотическое давление. Седиментационная устойчивость и седиментационное равновесие. Ультрацентрифуга и ее применение для исследования коллоидных систем. Ультрамикроскопия и электронная микроскопия коллоидных систем.
Электрический заряд коллоидных частиц. Механизм возникновения электрического заряда коллоидных частиц. Строение двойного электрического слоя. Электрокинетический потенциал, уравнение Гельмгольца-Смолуховского. Строение мицеллы. Влияние электролитов на величину электрокинетического потенциала. Электрокинетические явления. Электрофорез. Электрофоретические методы исследования в фармации. Электроосмос. Практическое применение электроосмоса.
Устойчивость и коагуляция дисперсных систем. Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем. Факторы устойчивости. Коагуляция медленная и быстрая. Порог коагуляции, его определение. Правило Шульце–Гарди. Коагуляция золей смесями электролитов. Теория устойчивости дисперсных систем (теория ДЛФО). Коллоидная защита. Пептизация. Взаимная коагуляция коллоидов.
Виды дисперсных систем. Аэрозоли, их классификация. Получение аэрозолей. Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей. Электрические свойства. Разрушение аэрозолей. Применение аэрозолей в фармации.
Порошки и их свойства. Слеживаемость, гранулирование и распыляемость порошков.
Суспензии, их получение и свойства. Седиментация и флотация суспензий. Седиментационный анализ суспензий. Пасты.
Эмульсии. Методы получения и свойства. Типы эмульсий. Эмульгаторы и механизм их действия. Обращение фаз эмульсий. Агрегативная устойчивость и ее нарушения. Коалесценция. Свойства высококонцентрированных эмульсий. Применение эмульсий и суспензий в фармации.
Мицеллообразование в растворах ПАВ. Мыла, детергенты и таниды. Критическая концентрация мицеллообразования и ее определение. Солюбилизация и ее значение в фармации. Мицеллярные коллоидные системы в фармации.
Высокомолекулярные соединения. Классификация ВМС, методы получения.
Набухание и растворение ВМС. Механизм и виды набухания. Термодинамика набухания и растворения ВМС. Влияние различных факторов на величину набухания.
Вязкость растворов ВМС. Относительная, удельная, приведенная и характеристическая вязкость. Уравнение Эйнштейна, Штаудингера и Марка–Куна–Хаувинка. Определение молекулярной массы полимеров вискозиметрическим методом.
Полимерные неэлектролиты и полиэлектролиты. Полиамфолиты. Изоэлектрическая точка полиамфолита и методы ее определения.
Осмотическое давление растворов полимерных неэлектролитов. Отклонение от закона Вант-Гоффа. Определение молярной массы полимерных неэлектролитов. Осмотическое давление растворов полиэлектролитов. Мембранное равновесие Доннана.
Факторы устойчивости растворов ВМС. Высаливание, пороги высаливания. Лиотропные ряды ионов. Зависимость высаливания полиамфолита от рН среды. Коацервация, ее биологическое значение. Застудневание (гелеобразование). Влияние различных факторов на скорость застудневания. Тиксотропия. Синерезис. Факторы, влияющие на застудневание, набухание, тиксотропию, синерезис, коацервацию и вязкость растворов.
|
В результате освоения дисциплины «Физическая и коллоидная химия» студент должен:
Знать:
Термодинамические и кинетические закономерности, определяющие протекание химических и биохимических процессов.
Физико-химические аспекты важнейших биохимических процессов и различных видов гомеостаза в организме: теоретические основы биоэнергетики; факторы, влияющие на смещение равновесия биохимических процессов.
Свойства воды и водных растворов и растворов слабых электролитов
Основные типы равновесий процессов жизнедеятельности: протолитические, гетерогенные, лигандообменные, редокс.
Механизмы действия буферных систем организма, их взаимосвязь и роль в поддержании кислотно-основного гомеостаза.
Закономерности протекания физико-химических процессов в живых системах с точки зрения их конкуренции, возникающей в результате смещения равновесий.
Физико-химические основы поверхностных явлений и факторы, влияющие на свободную поверхностную энергии; особенности адсорбции на различных границах разделов фаз.
Особенности физико-химических дисперсных систем и растворов биополимеров.
Свойства аэрозолей, порошков, суспензий и применение их в фармации.
Уметь:
самостоятельно работать с учебной, научной и справочной литературой, вести поиск и делать обобщенные выводы;
научно обосновывать с точки зрения термодинамики процессы, протекающие в организме и энергетический баланс организма;
рассчитывать энергетические характеристики химических процессов, константу равновесия и степень превращения исходных веществ;
прогнозировать преимущественное направление биохимических процессов с целью разработки методов медицинской диагностики;
строить диаграммы плавкости как основы для получения лекарственных форм с оптимальными фармакодинамическими свойствами
строить диаграммы кипения как основы для овладения высокоэффективными методами разделения и очистки лекарственных смесей;
определять коэффициент распределения при экстрагировании из растительного сырья;
объяснять механизм осмоса и действия изо-, гипо- и гипертонических растворов;
определять методом осмометрии и криометрии молярные массы веществ;
готовить буферные растворы с заданным значением рН;
проводить кондуктометрические определения, широко используемые в медицине и фармации;
составлять электрохимические цепи, позволяющие определять рН растворов, биологических жидкостей и их электродных потенциалов;
обосновать роль потенциалов в генерировании биопотенциалов, «токов действия» и закономерностей их распространения;
проводить потенциометрические определения, широко используемые в медицине и фармации;
оценивать эффективность лекарственных веществ через скорость химических реакций;
прогнозировать влияние температуры в сочетании с другими факторами на скорость биохимических процессов, выявлять «температурный оптимум»;
определять энергетический барьер как возможность химической реакции в сложных системах, включая живые организмы;
прогнозировать и управлять сложными биохимическими процессами, используя закономерности каталитических реакций и действия ингибиторов;
применять теории адсорбции для объяснения процессов избирательной адсорбции токсинов, адсорбционной терапии;
готовить коллоидные растворы и другие дисперсные системы;
прогнозировать устойчивость эмульсий, суспензий и аэрозолей, например, аэрозолей-антибиотиков, предотвращать пылевой фиброз легких и др. вредные явления, связанные с образованием аэрозолей;
определять закономерности электролитной коагуляции и пептизации как основы для сохранения физико-химических условий в организме;
определять молярную массу полимера вискозиметрическим методом;
применять теоретические знания для решения задач и выполнения лабораторного практикума, решения ситуационных задач, моделирующих физико-химические процессы в живых организмах;
пользоваться современными методами исследования с применением персональных компьютеров;
составлять отчет о проделанной работе с анализом и математической отработкой полученных результатов.
Владеть:
основными приемами и методами исследования физико-химических свойств соединений для решения прикладных задач в фармацевтике;
теоретическими знаниями для решения расчетных задач по разделам курса, правильно проводить лабораторные работы, составлять отчет с анализом и математической обработкой полученных результатов.
Образовательные технологии
Программа обучения по дисциплине «Физическая и коллоидная химия» для студентов фармацевтического факультета включает теоретическую (лекционный курс) и практическую подготовку (лабораторно-практические занятия).
При реализации различных видов учебной деятельности и для успешного освоения компетенции, которые прописаны в ФГОС третьего поколения реализуются следующие образовательные технологии:
классическая лекция;
лекция-визуализация;
лекция-консультация;
лекция – конференция;
контрольные работы;
собеседование по контрольным вопросам;
контроль освоения практических навыков, приобретаемых на лабораторных занятиях;
тестирование;
подготовка и защита рефератов;
мастер-класс;
проблемно-ориентированное обучение;
ситуационный метод преподавания в аудиторных занятиях и самостоятельной работе студентов;
учебно-исследовательская работа студента.
Изучение дисциплины заканчивается – экзаменом (III семестр)
Заведующий кафедрой химии /БРЕЛЬ А.К./ |
