Міністерство освіти і науки України ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. В.Н. КАРАЗІНА Кафедра фізичної хімії «ЗАТВЕРДЖУЮ» Перший проректор ____________________ «____»________________ 2012 р. РОБОЧА ПРОГРАМА НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ Хімія тензидів та детергентів напрямку підготовки 6.040101 хімія для спеціальності 7.070301 хімія та 8.070301 хімія спеціалізації “Фізична хімія розчинів” хімічного факультету (денне відділення) Кредитно-модульна система організації навчального процесу Харків - 2012 2 Робоча програма навчальної дисципліни “Хімія тензидів та детергентів” напрямку підготовки 6.040101 хімія для спеціальності 7.070301хімія та 8.070301 хімія спеціалізації “Фізична хімія розчинів” хімічного факультету Розробник: Мчедлов-Петросян Микола Отарович, доктор хімічних наук, професор, завідувач кафедри фізичної хімії Робоча програма затверджена на засіданні кафедри фізичної хімії Протокол № 18 від «_11__» _червня__ 2012 р. Завідувач кафедри д.х.н., проф. М. О. Мчедлов-Петросян Схвалено методичною комісією хімічного факультету Протокол № 10 Голова від 20 червня 2012 р. О. І. Юрченко 3 1. Опис навчальної дисципліни Найменування Галузь знань, напрям Характеристика навчальної підготовки, освітньо- дисципліни кваліфікаційний рівень Кількість кредитів – 4 Напрям підготовки 6.040101 Денна форма навчання хімія нормативна Модулів – 2 Рік підготовки: Загальна кількість годин - Спеціальність 7.070301хімія V-й та 8.070301 хімія Семестр 216 9-й Тижневих годин для даної Лекції (40 годин) форми навчання: Освітньо-кваліфікаційний аудиторних – 4,4 рівень: магістр Лабораторні (40 годин) самостійної роботи студентів – 7,6 Самостійна робота (136 годин) Вид контролю: екзамен 2. Мета та завдання навчальної дисципліни Мета: надання студентам уявлення щодо основних властивостей розчинів колоїдних поверхнево-активних речовин (ПАР) – тензидів та детергентів – у водних розчинах, процесів міцелоутворення та їх рушійних сил (гідрофобних, когезійних та електростатичних взаємодій), термодинаміки міцелоутворення, солюбілізації, механізму зниження поверхневого натягу та миючої дії, особливостей впливу міцел на хімічну рівновагу та швидкість хімічних реакцій, на оптичні властивості розчинених сполук. Ознайомлення з найважливішими галузями використання ПАР у промисловості, зокрема для модифікації поверхневих (міжфазних) шарів. Метою є також ознайомлення з окремими типами складних ПАР, перш за все – полімерів та фосфоліпидів, а також з процесами міцелоутворення у органічних, зокрема неполярних розчинниках, де відбувається створення обернених міцел та мікроемульсій. У результаті вивчення даного курсу студент повинен знати: найважливіші типи ПАР та їх класифікацію за різними ознаками, основні літературні (довідкові) джерела для оцінки значень ККМ, температури Краффта, температури помутніння, солюбілізаційної здатності, поверхневої активності, піноутворюючої здатності, поверхневої активності ПАР, характеристику миючої дії та стійкості у розчинах за різних умов та зовнішніх чинників (зокрема – температури), основні уявлення щодо гідрофобної гідратації та гідрофобної взаємодії, термодинаміки міцелоутворення, структури міцел іонних, неіонних та змішаних ПАР, бішарів фосфоліпідів, обернених міцел та мікроемульсій, впливу міцелярної псевдофази на спектри поглинання та випромінювання, на стан хімічних рівноваг 4 (зокрема – кислотно-основних) та швидкість перебігу хімічних реакцій, загальні принципи впливу ПАР на стан поверхонь поділу, а також впливу різних фізичних та хімічних чинників на стан ПАР та ВМС у розчинах та можливостей управління цими станами. вміти: раціонально обирати ПАР (детергент, тензид) або ВМС, потрібні для вирішення тієї чи іншої наукової або прикладної задачи (включаючи здійснення солюбілізації, піноутворення, варіювання в’язкості, стабілізації прямих та обернених мікроемульсій та емульсій, тощо); теоретично обчислити або приблизно оцінити значення ГЛБ, експериментально визначати ККМ даної ПАР (бажано – за допомогою різних методів), ідентифікувати тип невідомої ПАР та передбачати її поведінку у розчині в умовах варіювання зовнішніх параметрів та додаванні інших реагентів, проводити pH у міцелярних розчинах; напівкількісно прогнозувати зміни у значеннях констант рівноваг та швидкостей реакцій, що можуть відбутися при переході від водного до міцелярного розчину. 3. Програма навчальної дисципліни Модуль 1. Лекції (IX семестр) Тема 1. Вступ. Поверхнево-активні речовини (ПАР). Поверхнева активність. Поверхнево-активні речовини. Адсорбція як шлях зниження поверхневого натягу. Адсорбція ПАР на межі поділу вода–повітря. Структура мономолекулярного шару на поверхні води. Правила Дюкло-Траубе та Щіпунова. Уявлення щодо дифільності традиційних ПАР (surfactants). Основні різновиди ПАР. Синтез основних типів ПАР. Хімічна стабільність ПАР у розчинах. Тема 2. Міцелоутворення у водних розчинах. Гідрофільність та гідрофобність. Уявлення щодо гідрофобної гідратації, її ентропійної природи. Гідрофобна взаємодія. Міцелоутворення колоїдних ПАР у водних розчинах, рушійні сили міцелоутворення. Поняття про псевдофазу. Умови міцелоутворення. Рівноважний характер процесу міцелоутворення, динамічна природа міцел. Дві моделі міцелоутворення: псевдофазова та квазіхімічна. Колективний характер міцелоутворення та поняття про критичну концентрацію міцелоутворення (ККМ). Методи експериментального визначення ККМ. Термодинаміка міцелоутворення. Міцелярні розчини ПАР як основний тип гідрофільних колоїдних систем. Тема 3. Вплив різних чинників на характер міцелоутворення у воді. Температура Краффта іонних ПАР та температура помутніння неіонних ПАР. Вплив неіонних домішок різного типу на ККМ. Вплив структури ПАР (довжини вуглеводневого радікалу, природи гідрофільної частини та протиіону) на значення ККМ ПАР у воді. Вплив електролітів на значення ККМ іонних ПАР. Тема 4. Структура міцел ПАР. Структура міцел ПАР різних типів. Міцели іонних ПАР: електрокінетичний потенціал, особливості шару Штерна, електричний потенціал шару Штерна та його теоретичні оцінки; модель будови міцел за Фромхерцем, специфіка міцел неіонних ПАР. Поліморфізм міцел. Міцели Хартлі, Мак-Бена та Дебая; інші структури міцел (стрічкоподібні, везикулярні, тощо). Суміші ПАР та виникнення змішаних міцел. Склад змішаних міцел та теорія Рабіна. Тема 5. Явища солюбілізації, зв’язування, міцелярного каталізу. Солюбілізація (колоїдне розчинення) та гідротропія. Зв’язування водорозчинних речовин міцелами ПАР, константа зв’язування, константа розподілу та адсорбційний потенціал Штерна. Приклади констант зв’язування сполук різної гідрофобності. Методи визначення констант зв’язування. Іонний обмін на поверхні іонних міцел. Сольватохромія та сольватофлуорохромія у міцелярних розчинах колоїдних ПАР. Системи “барвник + ПАР”. Зсув стану хі- 5 мічних рівноваг у водному розчині при введенні міцел ПАР. Механізми впливу міцел на швидкість хімічних реакцій. Емульсійна полімеризація. Мікроемульсії. Гідрофільноліпофільний баланс (ГЛБ). Тема 6. Протолітичні рівноваги у міцелярних розчинах ПАР. Вплив іонних міцел на стан кислотно-основних рівноваг на прикладі індикаторів; уявні константи іонізації індикаторів. Правила Хартлі. Рівноваги у міцелах неіонних ПАР. Електростатична модель рівноваг та рівняння Хартли–Макерджи–Фунасакі–Фромхерца. Значення pH на поверхні міцел іонних ПАР. Порівняння показників уявних констант іонізації зі значеннями у водному розчині. Модель псевдофазного іонного обміну (PIE) та порівняння її з електростатичною моделлю. Вплив електролітів на уявні константи іонізації. Тема 7. Бішари фосфоліпідів. Біомембрани. Структура фосфоліпідів, утворення моно- та мультіламелярних ліпосом, засоби виготовлення суспензій ліпосом. Будова моноламелярних ліпосом фосфоліпідів, порівняння штучних ліпосом з природними біомембранами. Фазові переходи у ліпосомах. Тема 8. Розчини ВМС як ліофільні колоїдні системи. Різновиди ВМС. Набухання. “Добрі” та “погані” розчинники. Розчинні ВМС: мономолекулярні колоїди. Поліелектроліти, поліамфоліти. Статистичний клубок та його структура в залежності від умов існування. В’язкість розчинів ВМС. Розчинні білки. Дендримери. Поліелектролітні “щітки”. Тема 9. Обернені міцели колоїдних ПАР. Обернені міцели та мікроемульсії ПАР у неполярних розчинниках. Солюбілізація води. Обернені мікроемульсії на основі Аерозолю ОТ: структура, об’єм водяних “калюж”, кислотність всередині диспергованої водної фази, використання обернених мікроемульсій як реакторів для синтезу наночастинок. Тема 10. Миюча дія детергентів-ПАР. Обмеження, що виникають при використанні натрієвих та калієвих солей карбоксильних кислот (мил). Склад пральних порошків, шампунів, інших миючих засобів. Основні механізми миючої дії колоїдних ПАР. Тема 11. Інші аспекти застосування колоїдних ПАР. Міцели ПАР як темплати у синтезі мезопористих адсорбентів. Використання ПАР для управління поверхневим натягом, змочуванням та розтіканням. Адсорбція ПАР на твердих поверхнях. Використання ПАР у промисловості. Модуль 2. Лабораторні заняття (IX семестр) Тема 12. Визначення критичної концентрації міцелоутворення ПАР Тема 13. Визначення температури помутніння неіонних ПАР Тема 14. Піноутворення у водних розчинах ПАР Тема 15. Солюбілізація малорозчинних у воді сполук міцелами ПАР Тема 16. Визначення уявної константи іонізації індикатора в міцелярному розчині Тема 17. Кінетика хімічних реакцій у міцеллярних розчинах ПАР Тема 18. Ротаційна віскозіметрія Тема 19. Міцели та краплі мікроемульсій як нанореактори 6 4. Структура навчальної дисципліни Модуль і теми Кількість годин 216 Денна форма Усього 1 2 у тому числі л п лаб інд ср 3 4 5 6 7 Модуль 1 – лекції Тема 1 11 3 8 Тема 2 17 5 12 Тема 3 12 4 8 Тема 4 12 4 8 Тема 5 16 4 12 Тема 6 13 5 8 Тема 7 11 3 8 Тема 8 11 3 8 Тема 9 12 4 8 Тема 10 11 3 8 Тема 11 10 2 8 Модуль 2 – лабораторні заняття Тема 12 10 5 5 Тема 13 10 5 5 Тема 14 10 5 5 Тема 15 10 5 5 Тема 16 10 5 5 Тема 17 10 5 5 Тема 18 10 5 5 Тема 19 10 5 5 Усього годин 216 40 136 40 7 5. Теми лабораторних занять № з/п Назва теми Кількість годин 1 Визначення критичної концентрації міцелоутворення ПАР 5 2 Визначення температури помутніння неіонних ПАР 5 3 Піноутворення у водних розчинах ПАР 5 4 Солюбілізація малорозчинних у воді сполук міцелами ПАР 5 5 5 6 Визначення уявної константи іонізації індикатора в міцелярному розчині Кінетика хімічних реакцій у міцеллярних розчинах ПАР 7 Ротаційна віскозіметрія 5 8 Міцели та краплі мікроемульсій як нанореактори 5 5 6. Самостійна робота Назва теми Кількість годин Тема 1. Вступ. Поверхнево-активні речовини (ПАР). 8 Тема 2. Міцелоутворення у водних розчинах. 12 Тема 3. Вплив різних чинників на характер міцелоутворення у воді. 8 Тема 4. Структура міцел ПАР. 8 Тема 5. Явища солюбілізації, зв’язування, міцелярного каталізу. 12 Тема 6. Протолітичні рівноваги у міцелярних розчинах ПАР. 8 Тема 7. Бішари фосфоліпідів. Біомембрани. 8 Тема 8. Розчини ВМС як ліофільні колоїдні системи. 8 Тема 9. Обернені міцели колоїдних ПАР. 8 Тема 10. Миюча дія детергентів-ПАР. 8 Тема 11. Інші аспекти застосування колоїдних ПАР. 8 Усього годин 96 7. Методи навчання Лекції, виконання лабораторних робіт, самостійна робота. 8 8. Методи контролю Звіт про виконання лабораторних робіт, екзамен . 9. Розподіл балів, які отримують студенти Виконання та захист лабораторних робіт Письмовий екзамен 7.5 x 8 = 60 40 Сума 100 Шкала оцінювання Сума балів за всі види навчальної діяльності протягом семестру 90 – 100 80-89 70-79 60-69 50-59 1-49 Оцінка ECTS Оцінка за національною шкалою А В С D Е FX відмінно добре задовільно незадовільно Критерії оцінювання. А – впевнене володіння теоретичними основами хімії розчинів тензидів та детергентів – ПАР та споріднених систем, вміння розтлумачити механізм впливу ПАР на хімічну рівновагу та швидкість реакцій у рідких середовищах, а також раціонально спланувати вибір та умови застосування ПАР для вирішення тієї чи іншої хімічної задачі; В – добре володіння теоретичними основами хімії розчинів тензидів та детергентів – ПАР та споріднених систем та класифікацією ПАР, розуміння механізмів впливу ПАР на перебіг різних типів хімічних процесів у розчинах, вміння обґрунтовано спланувати вибір та умови застосування ПАР для вирішення тієї чи іншої хімічної задачі; С – володіння теоретичними основами хімії розчинів тензидів та детергентів – ПАР та споріднених систем, розуміння механізмів впливу ПАР на властивості розчинених речовин, вміння вибрати ПАР, потрібний для вирішення тієї чи іншої задачі; D – володіння базовими основами хімії розчинів ПАР, вміння довести доцільність застосування тієї чи іншої ПАР для вирішення певної задачі; E – мінімальне розуміння основ хімії ПАР, вміння провести класифікацію даної ПАР та вказати область його застосування. Відповідність діючій державній системі: А– “відмінно”, В ,С – “добре”, D, Е – “задовільно”. 10. Методичне забезпечення 1. 2. 3. 4. 5. Робоча програма навчальної дисципліни. Підручники, навчальні посібники, монографії. Статті у періодичних наукових виданнях, матеріали з кіберпростору. Демонстраційні матеріали. Описи лабораторних робіт. 9 11. Рекомендована література Базова 1. Н. О. Мчедлов-Петросян, А. В. Лебедь, В. И. Лебедь. Коллоидные поверхностноактивные вещества. 2-е изд. Изд. ХНУ им. В. Н. Каразина, 2009. 72 c. 2. М. О. Мчедлов-Петросян. Поверхнево-активні речовини. Стаття у Фармацевтичній Енциклопедії, Київ: Моріон, 2010. 3. Г.П. Ямпольская. Мицеллообразование. Мицеллярные системы. В Химической энциклопедии. – М.: Большая Российская Энциклопедия. Т. 3. 1992. С. 181-185. 4. Файнгольд С.И., Тихонов В.П. Поверхностно-активные вещества. М.: Большая Российская Энциклопедия. Т. 3. 1992. С. 1162-1170. 5. А. И. Сердюк, Р. В. Кучер. Мицеллярные переходы в растворах поверхностноактивных веществ. Киев: Наукова Думка, 1987. 208 с. 6. М. Ю. Плетнев. Косметико-гигиенические моющие средства. М: Химия, 1990. 272 с. 7. К. Холмберг, Б. Йёнссон, Б. Кронберг, Б. Линдман. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. пер. с англ. Г. П. Ямпольской под ред. Б. Д. Сумма. 8. П. А. Ребиндер. Поверхностные явления в дисперсных системах: Коллоидная химия. М.: Наука, 1978. 368 с. Допоміжна 1. А. Адамсон. Физическая химия поверхностей: Пер. с англ. М.: Мир, 1979. 568 с. 2. J. N. Israelachvili. Intermolecular and surface forces. London: Academic Press Ltd., 1992. 450 p. 3. А.И. Русанов. Мицеллообразование в растворах ПАВ. СПб.: Химия, 1992. 279 с. 4. В. А. Пчелин. Гидрофобные взаимодействия в дисперсных системах. М.: Знание, 1976. 64 с. 5. К. Шинода, Т. Накагава, Б. Тамамуси, Т. Исемура. Коллоидные поверхностноактивные вещества: Пер. с англ. М.: Мир, 1966. 320 с. 6. А.А. Абрамзон. Поверхностно-активные вещества. Л.: Химия, 1981. 304 с. 7. Поверхностно-активные вещества. Справочник. Под ред. А.А. Абрамзона, Г.М. Гаевого. Л.: Химия, 1979. 376 с. 8. А. А. Абрамзон, Л. П. Зайченко, С. И. Файнгольд. Поверхностно-активные вещества. Л.: Химия, 1988. 200 с. 9. Н. Шенфельд. Поверхностно-активные вещества на основе оксида этилена. Пер. с нем. М.: Химия, 1982. 752 с. 10 10. Капиллярная химия. Под ред. К. Тамару. Пер. с яп. М.: Мир, 1983. 272 с. 11. С. Б. Саввин, Р. К. Чернова, С. Н. Штыков. Поверхностно-активные вещества. М: Наука, 1991. 251 с. 12. Э. А. Арипов, М. А. Орел, С. Н. Аминов. Гидрофобные взаимодействия в бинарных растворах поверхностно-активных веществ. Ташкент: ФАН, 1980. 140 с. 13. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии. Под ред. К. Миттела. пер. с англ. М.: Мир, 1980. 598 с. 14. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел. Ред. Г. Парфит, К. Рочестер. М.: Мир, 1986. 488 с. 15. А. М. Когановский, Н. А. Клименко, Т. М. Левченко, И.Г. Рода. Адсорбция органических веществ из воды. Л.: Химия, 1990. 256 с. 16. Г. Фротшер. Химия и физическая химия текстильных вспомогательных материалов. Т.1. Пер. с нем., М.: Гизлегпром, 1958. 204 с. 17. Практикум по коллоидной химии латексов и поверхностно-активных веществ (под ред. Р. Э. Неймана). М.: Высшая школа, 1972. 176 с. 18. Ю. С. Липатов. Коллоидная химия полимеров. Киев: Наукова думка, 1984. 344 с. 19. М.Д. Курський, С.М. Кучеренко. Біомембранологія. Київ: Вища школа, 1993. 260 с. 20. Л. Б. Марголис, Л.Д. Бергельсон. Липосомы и их взаимодействие с клетками. М.: Наука, 1986. 240 с. 21. Л. Д. Бергельсон. Биологические мембраны. М.: Наука, 1975. 182 с. 22. В. Ф. Антонов. Липиды и ионная проницаемость мембран. М.: Наука, 1982. 151 с. 23. В. Г. Ивков, Г. Н. Берестовский. Динамическая структура липидного бислоя. М.: Наука, 1981. 296 с. 24. С. В. Левин. Структурные изменения клеточных мембран. Л.: Наука, 1976. 224 с. 25. М. Кальвин. Химическая эволюция. М.: Мир, 1971. 240 с. 26. С. Н. Штыков. Организованные среды – мир жидких наносистем. Природа. 2009. № 7. С. 12-20. 27. В. Н. Вережников. Организованные среды на основе коллоидных поверхностноактивных веществ. Воронеж: Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2008. 74 с. 28. J. S. Beck et al. A New Family of Mesoporous Molecular Sieves Prepared with Liquid Crystal templates. J. Amer. Chem. Soc. 1992. Vol. 114. N. 27. P. 10834-10843. 29. S. M. Grayson, J. M. J. Fréchet Convergent Dendrons and Dendrimers: from Synthesis to Applications. Chemical Reviews. 2001. V. 101. N 12. P. 3819-3867.
