Документ 3843682

1. Цель и задачи дисциплины.
Изучаемая дисциплина относится к числу учебных курсов, завершающих
общетеоретическую подготовку инженеров химиков-технологов. По своему
содержанию она тесно примыкает к физической химии и вместе с ней образует
теоретический фундамент современного химического образования. Преподавание
дисциплины преследует цель:
- изучить важнейшие теоретические закономерности, определяющие свойства веществ
в дисперсном состоянии и поверхностные явления в дисперсных системах,
- приобрести навыки практических расчетов ряда характеристик дисперсного
состояния веществ,
- изучить основные свойства и поведение реальных дисперсных систем,
- изучить условия стабилизации и разрушения коллоидных состояний систем
различного типа.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
Современная коллоидная химия представляет собой науку, в которой широко
используется аппарат и методы физической химии. Поэтому для успешного освоения
дисциплины студенты должны владеть основными понятиями и представлениями
физической химии, в первую очередь, химической термодинамики.
В процессе изучения дисциплины студенты должны:
- получить представление об огромном распространении объектов и явлений, которые
составляют предмет дисциплины,
- усвоить основные понятия и содержание основных разделов дисциплины
(молекулярно-кинетические
свойства
дисперсных
систем,
термодинамика
поверхностных явлений, адсорбция, электрические явления на поверхности,
получение, устойчивость, стабилизация и коагуляция дисперсных систем,
структурирование в дисперсных системах),
- уметь применять на практике расчетные методы количественного описания
дисперсных систем,
- практически овладеть рядом методов исследования дисперсных систем.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы.
Вид учебной работы
Всего часов
Семестр
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
136
68
6
6
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
34
6
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
34
6
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа
68
6
Курсовой проект
Курсовая работа
Расчетно-графические работы
Графическая работа
Расчетная работа
Домашняя работа
Домашнее задание
Реферат
Другие виды самостоятельных занятий
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
Э
6
4.Содержание дисциплины.
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий.
№
п/п
Лекц ПЗ,
час час
Раздел дисциплины
С,
час
ЛР, час
1 Введение
2 Термодинамика поверхностных явлений
2.1. Общая характеристика поверхностного слоя
2.2. Дисперсность и термодинамические свойства тел
1
5
1
2
2
4
2.3. Поверхностное натяжение
2
4
3 Адсорбция, капиллярные явления
3.1 Адсорбция на гладких поверхностях
адсорбентах
6
4
4
4
и
пористых
3.2 Капиллярная конденсация
4 Когезия и
жидкостей
адгезия.
2
Смачивание
и
растекание
3
вещества,
3
4
6 Механизмы образования и строение двойного
электрического слоя, электрокинетические явления
3
4
2
4
2
2
4
8
4
4
5 Поверхностно-активные
мицеллообразование
7 Оптические явления в дисперсных системах
8 Устойчивость дисперсных систем
8.1 Седиментационная устойчивость
8.2 Агрегативная устойчивость
9 Системы с жидкой и газообразной дисперсионной
средой
5
4
9.1 Золи, устойчивость, методы разрушения
9.2 Суспензии, условия стабилизации
1
1
4
9.3 Эмульсии, стабилизация, методы разрушения
1
9.4 Пены, устойчивость и методы разрушения
1
9.5 Гели
1
10 Структурообразование в дисперсных системах
2
4.2. Содержание разделов дисциплины.
Введение.
Содержание и задачи курса. Коллоидная химия как наука о поверхностных
явлениях и дисперсных системах. Основные особенности дисперсных систем:
гетерогенность,
дисперсность,
большая
удельная
поверхность.
Меры
раздробленности. Избыток свободной поверхностной энергии как причина
термодинамической (агрегативной) неустойчивости дисперсных систем.
Классификация поверхностных явлений. Классификация дисперсных систем по
агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру
взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой, по размеру частиц
дисперсной фазы.
Распространение дисперсных систем и поверхностных явлений в природе и их
значение в химической технологии. Роль коллоидной химии в решении экологических
проблем. Основы получения дисперсных систем. Энергетика диспергирования и
конденсации. Образование новой фазы в пересыщенной системе. Критические
зародыши. Понятие о гомогенности и гетерогенности нуклеации. Кинетика
возникновения ядер и их роста. Образование дисперсных систем в результате
дробления одной из фаз за счет внешних воздействий.
Раздел 2. Термодинамика поверхностных явлений.
2.1. Общая характеристика поверхностного слоя.
Термодинамические параметры поверхностного слоя с учетом 1-го и 2-го
начала термодинамики. Геометрические параметры поверхности: толщина, удельная
поверхность, кривизна поверхности, дисперсность. Свойства поверхности жидких и
твердых тел.
Методы термодинамического описания гетерогенных систем, учитывающие
естественные границы раздела фаз: метод избыточных величин Гиббса и метод "слоя
конечной толщины", их достоинства и недостатки.
Интегральное выражение для внутренней поверхностной энергии. Зависимость
энергетических параметров от температуры, уравнение Гиббса-Гемгольца для
внутренней (полной) энергии поверхностного слоя.
Механизм процессов самопроизвольного сокращения поверхностной энергии и
формирования поверхностного слоя. Принцип Гиббса-Кюри.
2.2. Дисперсность и термодинамические свойства тел.
Правило фаз Гиббса и дисперсность. Влияние дисперсности на внутреннее
давление тел. Поверхностная энергия и равновесные формы тел. Капиллярные
явления, их роль в природе и технологии. Расчет высоты капиллярного поднятия
жидкости по формуле Жюрена. Зависимость термодинамической реакционной
способности от дисперсности. Уравнение капиллярной конденсации Кельвина, его
анализ. Связь между растворимостью кристаллов в жидкости и дисперсностью.
Влияние дисперсности на константу равновесия химических реакций и температуру
фазового перехода. Молекулярно-кинетические свойства свободнодисперсных систем.
Броуновское движение. Коэффициент диффузии. Закон Эйнштейна-Смолуховского.
Экспериментальное подтверждение закона, его мировоззренческое значение.
2.3. Поверхностное натяжение.
Поверхностное натяжение и площадь поверхности как сопряженные свойства.
Поверхностное натяжение как мера избыточной энергии, как частная производная от
любого термодинамического потенциала по площади межфазной поверхности.
Единицы
измерения.
Способы
определения
поверхностного
натяжения.
Температурная зависимость поверхностного натяжения, температурный коэффициент.
Закон Этвеша. Уравнение Сагдена. Закон Вульфа.
Раздел 3. Адсорбция, капиллярные явления.
3.1. Адсорбция на гладких поверхностях и пористых адсорбентах.
Адсорбция и ее связь с параметрами системы. Определение адсорбции по
Гиббсу, фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса (связь поверхностного
натяжения с химическим потенциалом). Связь гиббсовской адсорбции с активностью,
концентрацией и давлением адсорбирующегося вещества. Поверхностная активность
и ее характеристика. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества.
Энергетические параметры адсорбции.
Адсорбционно-десорбционное равновесие на границе твердое тело -газ; его
особенности. Классификация типов адсорбции (физическая адсорбция, хемосорбция,
ионный обмен), их отличительные признаки. Адсорбционное взаимодействие при
физической адсорбции (силы Ван-дер-Ваальса, силы Дебая). Количественное
выражение адсорбции. Изобара, изостера и изотерма адсорбции. Теория
молекулярной адсорбции Лэнгмюра. Основное уравнение изотермы адсорбции, его
анализ, области применения теории Лэнгмюра. Закон Генри. Недостатки теории
Лэнгмюра. Адсорбции из смеси газов. Эмпирическое уравнение адсорбции
Фрейндлиха, его графическое решение. Полимолекулярная адсорбция. Теория
Брунауэра, Эммета и Теллера (теория БЭТ), изотерма адсорбции БЭТ.
Адсорбционно-десорбционное равновесие на границе твердое тело - жидкость.
Гиббсовская (мономолекулярная) адсорбция из бинарных растворов, ее особенности.
Количественные закономерности молекулярной адсорбции. Изотерма адсорбции из
растворов с константой обмена. Построение изотермы адсорбции. Селективность
адсорбции. Влияние на молекулярную адсорбцию природы адсорбента, растворителя
и растворенного вещества. Правило выравнивания полярностей Ребиндера. Ионный
обмен. Избирательная адсорбция. Ионнообменники и их применение. Закономерности
ионно-обменной адсорбции. Хемосорбция, ее механизм.
3.2. Капиллярная конденсация.
Теория капиллярной конденсации. Уравнение Кельвина. Капиллярноконденсационный гистерезис, его значение для реальных капиллярных тел.
Адсорбция на микропористых телах. Теория объемного заполнения пор Поляни.
Раздел 4. Когезия и адгезия. Смачивание и растекание жидкостей.
Когезия и адгезия, их количественные характеристики. Работа когезии и
адгезии. Уравнение Дюпре. Растекание жидкостей или собирание ее в каплю на
поверхности твердых тел и жидкостей. Краевой угол. Уравнение Дюпре-Юнга.
Избирательное смачивание. Гидрофильные и гидрофобные поверхности. Влияние
добавки поверхностно-активных веществ к жидкой фазе и предварительной обработки
поверхности твердого тела на смачиваемость. Связь работы адгезии с краевым углом.
Применение явлений несмачивания и смачивания в технике.
Условие растекания жидкостей. Коэффициент растекания по Гаркинсу.
Механизм растекания жидкостей. Эффект Марагони. Межфазное натяжение на
границе раздела двух жидкостей. Правило Антонова. Молекулярные пленки
нерастворимых веществ на границе жидкость-газ.
Раздел 5. Поверхностно-активные вещества. Мицеллообразование.
Адсорбционно-десорбционное равновесие на границе жидкость-газ. Строение
молекул поверхностно-активных веществ и его влияние на поверхностную
активность. Правило Дюкло-Траубе. Зависимость поверхностного натяжения от
концентрации растворенного вещества (область Генри, область Лэнгмюра, уравнение
Шишковского). Тип изотерм адсорбции. Расчет предельной адсорбции и ее связь с
размерами молекул поверхностно-активных веществ. Типы ПАВ (ионогенные,
неионогенные, анионные, катионные, амфолитные). Гидрофильно-липофильный
баланс. Шкала Гриффита. Мицеллообразование. Критическая концентрация
мицеллообразования. Солюбилизация. Моющее действие ПАВ. Строение мицелл.
Правило Фаянса-Панета.
Раздел 6. Механизмы образования и строение двойного электрического слоя,
электрокинетические явления.
Механизмы образования двойного электрического слоя на межфазных
поверхностях. Термодинамические соотношения между поверхностным натяжением и
электрическим потенциалом. I и П уравнения Липпмана. Строение двойного
электрического слоя (ДЭС) по Гельмгольцу, Гуи-Чепмену и Штерну. Уравнение
электрокапиллярной кривой. Понятие о плоскости скольжения и электрокинетическом
потенциале. Толщина и емкость ДЭС. Изменение толщины ДЭС и
электрокинетического потенциала под действием электролитов: влияние
концентрации, валентности и радиуса ионов. Явление перезарядки поверхности
многовалентными ионами. Заряд коллоидных частиц. Электрокинетические явления:
электрофорез, электроосмос, потенциал течения и потенциал седиментации. Причины
возникновения электрокинетического потенциала на плоскости скольжения.
Относительная скорость движения дисперсной фазы и дисперсионной среды. Вывод
уравнения Гельмгольца-Смолуховского. Расчет величины электрокинетического
потенциала методом электроосмоса и электрофореза. Электроосмотическая и
электрофоретическая подвижности. Применение явлений электрофореза и
электроосмоса в технике.
Раздел 7. Оптические явления в дисперсных систем.
Оптически неоднородные и однородные системы. Особенности их
взаимодействия с излучением. Явление рассеяния света. Эффект Тиндаля, векторная
диаграммами. Уравнение Рэлея для светорассеяния и его анализ.
Ультрамикроскопический метод исследования дисперсных систем. Величины,
характеризующие способность оптически неоднородных сред рассеивать излучение:
поток, поверхностная плотность потока излучения, коэффициент светорассеяния.
Определение концентрации золя и размера частиц.
Турбидиметрия — метод определения концентрации и дисперсности по
фиктивному светопоглощению. Мутность коллоидных растворов. Нефелометрия как
метод определения концентрации и дисперсности в коллоидных системах.
Возможности нефелометрии для определения молекулярных масс макромолекул.
Оптические свойства дисперсных систем в проходящем свете. Поглощение
света, закон Бугера - Ламберта - Бэра. Селективность поглощения.
Раздел 8. Устойчивость дисперсных систем.
8.1. Седиментационная устойчивость.
Общие представления об устойчивости дисперсных систем. Агрегагативная и
седиментационная устойчивость. Седиментационный анализ дисперсности.
Закономерности седиментации в гравитационном и центробежном полях.
Классификация свободнодисперсных систем. Законы движения отдельных частиц под
действием внешнего силового поля в вязкой среде. Седиментационный анализ
дисперсности. Монодисперсные и полидисперсные системы. Расчет размера частиц по
скорости их движения в гравитационном поле Земли и в центробежном поле. Методы
определения скорости движения частиц, в том числе накопление осадков. Связь
размеров частиц со скоростью их осаждения в монодисперсной и бидисперсной
системах. Фракционный анализ полидисперсных систем. Построение интегральной и
дифференциальной кривых распределения частиц по размерам, характеризующих
степень полидисперсности системы.
Диффузионно-седиментациое равновесие в дисперсных системах. Понятие о
кинетической и термодинамической устойчивости таких систем. Законы
распределения концентрации частиц дисперсной фазы при диффузионноседиментационном равновесии. Константа седиментации.
8.2. Агрегативная устойчивость.
Процессы, обусловленные агрегатной неустойчивостью: изотермическая
перегонка (эффект Кельвина) и коагуляция. Термодинамические и кинетические
факторы агрегатной устойчивости дисперсных систем. Расклинивающее давление и
устойчивость. Кинетика коагуляции свободнодисперсных систем. Скорость
коагуляции, ее выражение через число эффективных двойных соударений частиц
дисперсной фазы. Кинетика быстрой коагуляции монодисперсных систем по
Смолуховскому и полидисперсных систем по Мюллеру. Основные кинетические
уравнения, их анализ. Кинетика медленной коагуляции. Коэффициент замедления или
фактор устойчивости.
Теоретические основы устойчивости и коагуляции лиофобных дисперсных
систем. Электростатическая и молекулярная составляющая расклинивающего
давления. Теория устойчивости и коагуляции ДЛФО (Дерягина, Ландау, Фервея,
Овербека). Общее уравнение и потенциальные кривые взаимодействия дисперсных
частиц и их анализ. Закономерность коагуляции гидрофобных дисперсных систем
электролитами. Нейтрализационная и концентрационная коагуляция. Порог
коагуляции. Зависимость порога коагуляции от заряда иона электролита. Правило
Шульца-Гарди и Дерягина-Ландау. Экспериментально установленные правила
коагуляции. Особые явления, наблюдаемые при коагуляции электролитами:
неправильные ряды, антагонизм и синергетизм действия ионов. Коагуляция под
действием физических факторов.
Условия
термодинамической
устойчивости
дисперсных
систем.
Ультрамикрогетерогенность. Соотношения Фольмера. Уравнение Ребиндера-Щукина.
Раздел 9. Системы с жидкой и газообразной дисперсионной средой.
9.1.Золи, устойчивость, методы разрушения.
Гидрозоли. Аэрозоли. Их виды и свойства. Условия образования. Методы
разрушения аэрозолей.
9.2. Суспензии, условия стабилизации.
Условия образования суспензий, их свойства. Способы стабилизации
суспензий. Пасты.
9.3. Эмульсии, стабилизация, методы разрушения.
Типы эмульсий. Прямые и обратные эмульсии, их свойства. Эмульгаторы.
Способы стабилизации эмульсий, методы их разрушения.
9.4. Пены, устойчивость, методы разрушения.
Механизм образования пен. Кратность пен. Роль эффекта Марангони в
устойчивости пен. Пенообразователи. Способы разрушения пен. Пеногасители.
9.5. Гели. Виды гелей. Тиксотропия. Набухание гелей. Студни. Синерезис.
Раздел 10. Структурообразование в дисперсных системах.
Понятие о структуре тел. Структурообразование в дисперсных системах. Его
связь с потерей агрегатной устойчивости дисперсных систем. Теория
структурообразования - основа получения новых материалов: керамик, цементов,
сплавов, полимеров, катализаторов, сорбентов. Факторы структуры, определяющие
твердость, упругость, вязкость, пластичность материалов.
Реология как метод исследования механических свойств структур в дисперсных
системах. Реология нормальных жидкостей. Уравнение Ньютона и Пуазейля, их
анализ. Уравнение Эйнштейна для определения вязкости коллоидных растворов,
условия его применимости. Релаксационный характер течения жидкостей.
Структурная вязкость. Предельное напряжение сдвига. Уравнение Шведова-Бингама.
Реологические методы исследования структуры.
5. Лабораторный практикум.
№ № раздела
Наименование лабораторных работ
п/п дисциплин
ы
1
1,6
Получение коллоидных растворов и их исследование
электрофореза.
2
2,3
методом
Исследование адсорбционного равновесия на границе «жидкость-газ»
3
3
Исследование адсорбционного равновесия на границе «твердое теложидкость»
4
5
Исследование мицеллообразования в растворах поверхностно-активных
веществ методом измерения электрической проводимости
5
8
Седиментационный анализ суспензий методом накопления осадка.
6
7
Исследование оптических свойств золей турбидиметрическим методом.
7
8
Определение порога коагуляции золя гидроокиси железа методом
фотоколориметрии
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
6.Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
6.1. Рекомендуемая литература.
а) основная литература:
Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. СПб.: Химия, С-Петерб. отд-ние,
1995. 400 с.
Щукин Е.Д. и др. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1992. 414 с.
Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные
системы. М.: Химия, 1982. 400 с.
Практикум по коллоидной химии /В.И.Баранова, Е.Е.Бибик, Н.М.Кожевникова
и др. Под ред. И.С.Лаврова. М.: Высшая школа, 1983. 216 с.
Расчеты и задачи по коллоидной химии /В.И.Баранова, Е.Е.Бибик,
Н.М.Кожевникова и др. Под ред. В.И.Барановой. М.: Высшая школа, 1989. 288
с.
б) дополнительная литература:
Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных
веществ. СПб.:Химия, 1992. 280 с.
Капиллярные силы в дисперсных системах : Учебное пособие. Екатеринбург:
УГТУ, 1997. 64 с.
Кинлок Э. Адгезия и адгезивы: Наука и технология. М., Мир, 1991. 320 с.
Репинский С.М. Введение в химическую физику поверхности твердых тел.
Новосибирск: Наука. Сиб. изд. фирма, 1993. 221 с.
Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах. М.: Металлургия, 1994. 440 с.
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины.
1. Учебный кинофильм «Основы коллоидной химии. Раздел I. Дисперсные системы.
Лиофобные золи». Аннотированный каталог учебных кинофильмов фильмотеки
ОТСО института по состоянию на 1 января 1977 г., часть II. Свердловск: изд. УПИ,
1977. С.6 (поз. 25)
2. Учебный кинофильм «Основы коллоидной химии. Раздел II. Растворы
высокомолекулярных соединений» Там же. С.7 (поз. 26)
3. Учебный кинофильм «Поверхностные явления. Дисперсные системы»
Аннотированный каталог учебных кинофильмов фильмотеки ОТСО института по
состоянию на 1 января 1978 г. Свердловск: изд. УПИ, 1979. С.24 (поз. 5)
4. Компьютерный видеофильм «Введение в коллоидную химию». Авт. Марков В.Ф.,
Степановских Е.И., Софронов А.А. УГТУ-УПИ. 2001.
5. Урицкая А.А. Получение коллоидных растворов: Руководство к лабораторной
работе №1 по коллоидной химии. Свердловск: изд. УПИ, 1970. 32с.
6. Кондратьева Н.Л. Исследование коллоидных растворов методом электрофореза:
Метод, указания к лабораторной работе №2 по коллоидной химии. Свердловск: изд.
УПИ, 1988. 7.
7. Брусницына Л.А. Исследование
мицеллообразования в растворах поверхностно-активных веществ методом измерения
электрической проводимости: Метод, указания к лабораторной работе №3 по курсу
«Коллоидная химия». Свердловск: изд. УПИ, 1988. 16с.
8. Больщикова Т.П. Исследование оптических свойств золей с непоглощающими
излучения дисперсной фазы: Метод, указания к лабораторной работе №4 по курсу
«Коллоидная химия». Свердловск: изд. УПИ
9. Ятлова Л.Е. Определение порогов коагуляции методом фотоколориметрии: Метод,
указания к лабораторной работе №5 по курсу «Коллоидная химия». Екатеринбург:
изд. УГТУ-УПИ, 1995. 12с.
10. Ю.Булатов Н.К., Лундин А.Б. Исследование адсорбционного равновесия на
границе «жидкость-газ»: Метод. указания к лабораторной работе №8 по курсу
«Коллоидная химия». Свердловск: изд. УПИ, 1984. 26с.
11. Урицкая А.А. Исследование адсорбции поверхностно-активных веществ на
твердых адсорбентах: Метод. указания к лабораторной работе №9 по курсу
«Коллоидная химия». Свердловск: изд. УПИ, 1989. 10с.
12. Брусницына Л.А. Седиментационный анализ полидисперсных систем: Метод,
указания к лабораторной работе №10 и 11 по курсу «Коллоидная химия».
Екатеринбург: изд. УГТУ-УПИ, 1995. 18с.
13. Комплект компьютерных программ для контроля уровня подготовленности
студентов к лабораторным работам.
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
7.1. Компьютерный класс.
7.2. Специализированная лаборатория по выполнению лабораторных работ.
7.3. Стенд по измерению поверхностного натяжения на границе «жидкость-газ».
7.4. Стенд по определению удельной поверхности твердого адсорбента.
7.5. Стенд по определению электрокинетического потенциала коллоидных частиц.
7.6. Стенд по определению критической концентрации мицеллообразования ПАВ.
7.7. Стенд по проведению седиментационного анализа суспензий.
7.8. Кондуктометры, фотоколориметры.
Рабочая программа по курсу
«Поверхностные явления и дисперсные системы»
Составили
проф., д.х.н. Марков Вячеслав Филиппович
доцент, к.х.н. Двойнин Валерий Иванович
Научный редактор проф., д.х.н. Макурин Ю.Н.
Подписано в печать
1/16
Бумага типографская
Уч.-изд. л.
Формат 60Х84
Офсетная печать
Тираж 50 экз.
Издательство УГТУ-УПИ
620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19
Усл. п. л.
Цена «С»