ЕН.Ф.8 Химия ВМC и коллоидная химия

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 физикохимическими 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
высокомолекулярных соединений и коллоидной химии.
основами
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 работы16 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).
1.4 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
100
соединений, их роль в функционировании
биологических
систем,
свойства
растворов
высокомолекулярных соединений;
коллоидные системы, методы их изучения, свойства
дисперсных
систем,
биологическое
значение
коллоидов; химический практикум.
1.5 Объем дисциплины и виды учебной работы:
№
п/п
Шифр и
Курс Семес
наименование
тр
специальност
и
020201 –
«БИОЛОГИЯ»
1.
2
2
III
IV
Виды учебной работы в часах
Трудоёмкость
Всего
ауд.
ЛК
ПР/
СМ
ЛБ
Сам.
раб.
100
50
16
14
10
10
-
50
Вид
итогового
контроля
(форма
отчетности)
ЗАЧЕТ
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
1.
Общие представления химии
высокомолекулярных соединений
Строение и свойства изолированных
молекул.
Растворы полимеров
Полиэлектролиты.
Коллоидная химия. Поверхностные
явления.
Молекулярно-кинетические
и
оптические свойства коллоидов
2.
3.
4.
5.
6.
Количество часов
Все
Сам.
го ЛК ПР ЛБ раб.
ауд.
6
4
2
-
6
8
4
2
2
6
6
4
4
2
-
2
2
8
6
6
4
-
2
4
2
2
-
-
4
7.
8.
9.
10.
Поверхностные явления в дисперсных
системах.
Электрические свойства коллоидов.
Устойчивость коллоидных систем.
Микрогетерогенные системы.
ВСЕГО
6
2
2
4
4
4
50
2
2
4
30
2
2
10
2
10
4
4
4
4
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:
изои
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 Флоривириальный 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.
двойного
электрического
слоя,
теория
Гельмгольца.
электрокинетического потенциала. Строение мицеллы.
Тема 5. Устойчивость коллоидных систем.
Строение
Понятие
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
разрушения аэрозолей.
агрегативной
неустойчивости.
Методы
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.
тиксотропии.
Свойства гелей и студней. Явления синерезиса и
1.6.3 Темы для самостоятельного изучения.
№
п/п
1.
Наименование
раздела, темы
Общие
представления
химии
высокомолекул
ярных
соединений
Формы самостоятельной
часы
работы
Вопросы для самостоятельного
изучения:
Критерии
различия
ВМС
и
низкомолекулярных веществ.
Функции распределения полимеров по
молекулярным массам.
Представители
карбоцепных
синтетических
полимеров:
6
полиметилметакрилат,
полиизопрен,
тефлон.
Представители
гетероцепных
синтетических полимеров, области их
практического применения.
Расчёты: средняя молекулярная масса
полимера
Форма
контроля
обсуждение;
проверка
упражнений,
решений
задач
2.
3.
Строение
и
свойства
изолированных
молекул.
Растворы
полимеров
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.
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.
4.
5.
Полиэлектроли
ты.
Коллоидная
химия.
Поверхностные
Расчёты:
энтальпия и энтропия образования
идеальных растворов;
энтропия и энтальпия смешения.
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.
Классификация коллоидных систем,
понятие о дисперсности.
Получение коллоидных систем:
6
опрос на ПЗ,
проверка
упражнений,
решений
задач
опрос на ПЗ,
проверка,
упражнений,
решений
задач.
8
опрос на ПЗ,
проверка,
упражнений,
решений
задач.
6
4
опрос на ПЗ,
проверка,
упражнений,
явления.
6.
7.
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.
МолекулярноОсмотические
свойства.
кинетические и Закономерности светорассеяния и
оптические
светопоглощения, явление Тиндаля.
свойства
Оптические
методы
изучения
коллоидов
дисперсных
систем,
ультрамикроскопия,
нефелометрия,
турбидиметрия.
Выполнение упражнений, решение
расчетных задач.
Поверхностные Адсорбция из газовой фазы, изотерма
явления
в Ленгмюра, строение адсорбционного
дисперсных
слоя
на
границе
раствор–газ.
системах.
Адсорбция из растворов, обменная
адсорбция, избирательная адсорбция,
смачивание, флотация.
Уравнение Фрейндлиха, области его
применения.
Выполнение упражнений, решение
расчетных задач.
Электрические
Теория Гельмгольца.
свойства
Электрокинетического потенциала.
коллоидов.
Выполнение упражнений, решение
расчетных задач.
Устойчивость
коллоидных
систем.
Микрогетероге
нные системы.
Коагуляция
коллоидных
систем.
Факторы, вызывающие коагуляцию,
коагуляция электролитами.
Теории коагуляции: адсорбционная и
электростатическая.
Выполнение упражнений, решение
расчетных задач.
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.
решений
задач.
проверка
упражнений,
решений
задач
4
проверка
упражнений,
решений
задач
4
4
4
4
проверка
упражнений,
решений
задач
опрос на ПЗ,
проверка,
упражнений,
решений
задач.
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:
1. Критерии различия ВМС и низкомолекулярных веществ.
2. Классификация полимеров.
3. Органические, неорганические, элементоорганические полимеры.
4. Типы реакций синтеза полимеров.
5. Кинетика равновесной поликонденсации.
6. Кинетика радикальной полимеризации.
7. Реакционная способность мономеров.
8. Ионная полимеризация.
9. Катионная полимеризация.
10.Кинетика катионной полимеризации.
11.Ионно-координационная полимеризация.
12.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 высокомолекулярных 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:
1. Термодинамика макромолекул в растворе.
2. Фазовые диаграммы систем полимер─растворитель.
3. Осмотические явления в растворах полимеров. Определение
молекулярных масс.
4. Современные теории растворов полимеров.
5. Вязкость
разбавленных
растворов
полимеров.
Определение
молекулярных масс.
6. Светорассеяние в растворах полимеров. Определение молекулярных
масс.
7. Диффузия макромолекул в растворах. Определение молекулярных
масс. Седиментация макромолекул. Определение молекулярных масс
методом ультрацентрифугирования.
8. Полиэлектролиты. Электростатическая составляющая свободной
энергии Гиббса полиионов.
9. Амфотерные полиэлектролиты.
10.Изоэлектрическая, изоионная точки. Полиэлектролитные комплексы.
11.Концентрированные растворы полимеров
12.Фазовые переходы в полимерах.
13. 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 высокомолекулярных 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:
1. Свободная
поверхностная
энергия.
Поверхностные
силы.
Поверхностное натяжение.
2. Способы описания термодинамики поверхностных явлений. Метод
избыточных термодинамических функций поверхностного слоя (по
Гиббсу).
3. Поверхность разрыва и разделяющая поверхность. Уравнение ГиббсаГельмгольца для плоской поверхности раздела фаз.
4. Температурная зависимость поверхностного натяжения жидкости;
критическая температура (по Менделееву).
5. Работа когезии. Связь поверхностной энергии с взаимодействиями
между молекулами (атомами, ионами) в конденсированной фазе: с
теплотой сублимации, модулем упругости, теоретической прочностью.
6. Свободная поверхностная энергия твердых тел. Дисперсионные и
недисперсионные взаимодействия в полярных и неполярных фазах.
Константа Гамакера.
7. 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.Физикохимическая 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:
1. Термодинамика адсорбции. Вывод уравнения Гиббса. Поверхностноактивные и поверхностно-инактивные вещества.
2. Поверхностное натяжение водных растворов ПАВ. Зависимость
поверхностного натяжения от концентрации ПАВ.
3. Уравнение Шишковского. Влияние строения молекул ПАВ на
поверхностную активность. Правило Траубе-Дюкло.
4. Работа адсорбции. Уравнение Ленгмюра для мономолекулярной
адсорбции. Динамический характер адсорбционного равновесия на
поверхности раздела водный раствор ПАВ - газ. Совместное решение
уравнений Гиббса и Ленгмюра.
5. Строение адсорбционных монослоев растворимых ПАВ. Расчет
размеров молекул ПАВ.
6. Двухмерное состояние вещества: ориентация молекул, уравнение
состояния. Поверхностное (двухмерное) давление. Весы Ленгмюра.
7. зотермы двухмерного давления. Основные типы пленок: газообразные,
жидкорастянутые, жидкие, твердые. Условия перехода пленки от
одного состояния к другому.
8. Адсорбция ПАВ на поверхности раздела несмешивающихся
жидкостей. Адсорбция ПАВ из растворов на поверхности твердых тел.
Правило уравнивания полярностей Ребиндера.
9. Модифицирующее действие ПАВ: гидрофилизация и гидрофобизация
твердой поверхности.
10.Классификация органических ПАВ по молекулярному строению
(анион- и катионактивные, неионогенные, амфолитные).
11.Высокомолекулярные ПАВ (примеры, отличия от низкомолекулярных
ПАВ). Проблема биоразлагаемости ПАВ. Понятие о гидрофильнолипофильном 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. Физикохимическая
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
1. Методы
получения
лиофильных
коллоидных
систем.
Самопроизвольное
диспергирование
макрофаз:
критерий
самопроизвольного
диспергирования
(по
Ребиндеру-Щукину),
примеры.
2. Мицеллообразование в водных растворах ПАВ. Критическая
концентрация мицеллообразования (ККМ), основные методы
определения ККМ.
3. Эмпирические закономерности изменения ККМ и минимального
значения поверхностного натяжения на границе раздела раствор ПАВ воздух в гомологических рядах ПАВ.
4. Термодинамика мицеллообразования: тепловые эффекты, энтропийная
природа мицеллобразования ПАВ в водных растворах. Диаграмма
фазовых состояний; точка Крафта.
5. Влияние
концентрации
ПАВ
на
строение
мицелл.
Жидкокристаллические системы.
6. 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.
7. Практические приложения мицеллярных систем и микроэмульсий (в
химии, нефтедобыче, биологии).
Лиофобные системы
1. Получение лиофобных дисперсных систем. Диспергационные методы,
связь работы диспергирования с поверхностной энергией твердых тел.
2. 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.
3. Образование дисперсных частиц при кристаллизации из растворов и
расплавов, при конденсации пересыщенного пара, при кипении.
Кинетика образования и роста частиц новой фазы.
4. Химические и физические методы получения дисперсных систем
(золей, эмульсий, пен, аэрозолей).
5. сновные
методы
очистки
коллоидных
растворов
(диализ,
ультрафильтрация, мембранные методы очистки дисперсных систем).
6. 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.Физикохимическая 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.Физикохимическая 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:
RCOOH + NaOH
RCOONa + H2O
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:
X=
NV⋅ 45⋅ 100
g⋅ 1000
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:
КЧ=
NV⋅ 56
g
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.
ROH+(CH3COO)2O+C5H5N
ROOCCH3 +CH3COOH C5H5N
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:
X=
V 1− V 2 ⋅ N⋅ 17⋅ 100
g⋅ 1000
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:
ГЧ=
V 1− V 2 ⋅ N⋅ 56
,
g
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:
6KCl + 3H2O + 3Br2
5KBr + KBrO3 + 6HCl
CH2=CH + Br2
|
COOR
CH2Br-CHBr
|
COOR
При добавлении иодистого калия избыток брома
эквивалентное количество иода, который оттитровывают
тиосульфата натрия:
2KI+ Br2
вытесняет
раствором
2KBr + I2
I2 + 2Na2S2O3
2NaI + Na2S4O6
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:
Навеску мономера 0,3 г, взвешенная с точностью до 0,0002г, помещают в
мерную колбу на 25 мл, доливают до метки 50%-ной уксусной кислотой.
Затем в коническую колбу помещают 50 мл бромид-броматной смеси, 10 мл
тщательно перемешанного раствора и 10 мл соляной кислоты. Закрывают
колбу пробкой, перемешивают содержимое колбы и выдерживают на
рассеянном свету 20 минут. Затем вводят 10 мл раствора иодистого калия и
титруют выделившейся иод 0,1N раствором тиосульфата натрия, добавляя в
конце титрования крахмал.
Анализируют две пробы. Параллельно проводят контрольный опыт,
вводя в колбу вместо исследуемого раствора 10 мл уксусной кислоты.
Иодное число рассчитывается по формуле:
ИЧ=
V 1− V 2 ⋅ N⋅ 127
g
где V1 - объем раствора тиосульфата натрия, пошедшего на титрование
контрольной пробы;
V2 - объем раствора тиосульфата натрия, пощедщий на титрование
аликвоты исследуемого раствора;
N - нормальность раствора тиосульфата натрия;
g - масса (г) исследуемого вещества в аликвоте раствора;
127 - эквивалентный вес иода.
Лабораторная работа № 2 (2ч.)
Тема: Получение высокомолекулярных соединений методом
поликонденсации.
Поликонденсация – это процесс синтеза высокомолекулярных
соединений, в котором рост макромолекул происходит путем химического
взаимодействия исходных полифункциональных молекул друг с другом, с
реакционноспособными n-мерами, накапливающимися в ходе реакции, а
также молекул n-меров между собой. Мономеры, используемые в реакциях
полконденсации, должны содержать две или более функциональные группы,
способные участвовать в реакциях обмена или замещения. Примерами
поликонденсации могут служить реакции полиэтерефикации:
HO-R-COOH+HO-R1-COOH
HO-R-COO-R1-COOH+H2O
HO-R-COO-R1-COOH+HO-R1-COOH
HO-R-COO-R1-COO-R1-COOH+H2Oит.д.
и полиамидирования:
H2N-R-NH2 +ClOC-R1-COCl
H2N-R-NH-CO-R1-COCl +HCl
H2N-R-NH-CO-R1-COCl +H2N-R-NH2
H2N-R-NH-CO-R1-CO-NH-R-NH2+HCl ит.д.
В отличие от полимеризации, при поликонденсации элементный состав
полимеров не совпадает с составом мономерных соединений. Различие
определяется составом выделяющегося низкомолекулярного продукта.
Реакцию поликонденсации можно проводить в растворе, расплаве,
эмульсии, суспензии и на границе раздела фаз.
Если исходные мономеры и полимер устойчивы при температуре
плавления, поликонденсацию проводят в расплаве (обычно при температуре
200-3000С). Для уменьшения вероятности протекания побочных реакций
(окисление, деструкция и т.п.) процесс осуществляют в атмосфере инертного
газа и заканчивают обычно в вакууме для полного удаления
низкомолекулярных веществ, выделяющихся при поликонденсации.
Достоинством этого метода являются возможность получения полимеров из
мономеров с пониженной реакционной способностью, высокий выход
полимера и его высокая степень чистоты. К недостаткам поликонденсации в
расплаве относятся необходимость использования термически стойких
мономеров, большая продолжительность процесса и высокая температура
реакции, что вызывает деструкцию полимера.
При поликонденсации в растворе мономеры находятся в растворенном
состоянии. Преимуществом этого способа является возможность проведения
процесса в более мягких условиях. Однако, при введении растворителя
скорость поликонденсации уменьшается и возрастает вероятность
циклизации. Роме того возникает проблема удаления из полимера
растворителя.
При проведении межфазной поликонденсации исходные компоненты
растворяют в двух несмешивающихся жидкостях. Полимер образуется на
границе раздела фаз в виде пленки и непрерывно извлекается из реакционной
среды. Для увеличения контакта компонентов фазы непрерывно
перемешивают. Для межфазной поликонденсации целесообразно применять
мономеры с высокой реакционной способностью (галогенангидриды
дикарбоновых кислот, диамины), что позволяет осуществлять процесс при
низких температурах.
Поликонденсацию в твердой фазе обычно проводят при нагревании в
определенных условиях порошкообразного полимера или приготовленной из
него пленки. Процесс протекает с высокой скоростью. Поликонденсацию в
твердой фазе в основном используют при синтезе полимеров из мономеров,
разлагающихся при температуре плавления.
Получение полиэфиракрилатов
Полиэфиракрилаты представляют собой олигомерные эфиры,
получаемые конденсацией дикарбоновой кислоты или ее ангидрида с
гликолями и глицерином в присутствии ненасыщенной кислоты (акриловой,
метакриловой, хлоракриловой и т.п.)
Полиэфиракрилаты
получают
по
одностадийному
методу
“конденсационной теломеризации”. Одноосновные непредельные кислоты
являются регуляторами роста цепи – “телогенами”. Поликонденсация
протекает по схеме:
O
C
n R1
O + (n+1)HOR2OH
C
O
+
2nCH2=C-COOH
|
CH3
CH2=C-COO-R2-OOC-R1-COO-R2-OOC- C=CH2 +H2O
|
|
CH3
CH3
Молекулярный вес полиэфиров определяется соотношением
двухосновной
и
одноосновной
кислот.
Для
предотвращения
гомополимеризации телогена в реакционную смесь добавляют ингибиторы
(СuCl, гидрохинон, бензохинон и др.).
Отверждение полиэфиракрилатов в условиях переработки их в изделия
обычно проводят в блоке в присутствии инициаторов радикальной
полимеризации при атмосферном давлении в отсутствие непредельных
летучих мономеров. При этом не образуется побочных продуктов и объем
реакционной смеси изменяется незначительно. Отверждение ускоряется при
нагревании (50-1200С).
Реактивы:
Ангидрид дикарбоновой кислоты – 0,05 моль
Этиленгликоль (диэтиленгликоль) – 0,1 (0,075) моль
Метакриловая кислота – 0,1 моль
Гидрохинон – 0,05 г
Серная кислота- 0,45 г
Толуол – 40 мл
Лабораторная работа № 3 (2ч.)
Тема: Определение молекулярной массы полимеров
Полимеры обычно состоят из молекул различной величины, поэтому
значение молекулярной массы полимера, определенное с помощью того или
иного метода, является средней величиной. Различают среднечисловую и
средневесовую молекулярную массу.
Среднечисловой молекулярной массой
массы полимера к числу молекул
M n=
n M 1+n 2 M 2 +n 3 M 3 . . .
=
n 1 +n2 +n 3 . ..
1
Mn
называют отношение
∑ ni M i
∑ ni
где ni – число молекул с молекулярной массой Mi.
Среднечисловая молекулярная масса используются во всех
стехиометрических и термодинамических расчетах. Для ее определения
применяют криоскопический, эбулиоскопический и осмометрический
методы, а также метод концевых групп.
Для расчета средневесовой молекулярной массы M w необходимо знать
долю данной молекулярной массы wi в общей молекулярной массе. Т.к.
средняя молекулярная масса равна  niMi, то
wi=
ni M i
∑ ni M i
Сумма произведений каждой молекулярной массы на ее долю в общей
молекулярной массе дает значение среднечисловой молекулярной массы:
M1w1 + М2w2 + M3w3 + ... = M w
Экспериментально значение среденевесовой молекулярной массы
можно найти, измеряя рассеяние света растворами полимера.
Наличие низкомолекулярной фракции в полимере сильнее сказывается
на значении Мn, а высокомолекулярной – на значении M w .
Наряду с M n и M w часто пользуются средневязкостной молекулярной
массой M v , метод определения которой экспериментально наиболее прост.
Для вычисления M v используют установленную эмпирически зависимость
между характеристической вязкостью растворов полимеров и их
молекуярной массой
[  ] = KMv
где К и  – эмпирические величины, постоянные для данной системы
полимер-растворитель при определенной температуре.
Определение молекулярного веса полиакриламида
вискозиметрическим методом
Вискозиметрический метод – наиболее простой и доступный метод
определения молекулярных масс полимеров в широкой области значений
молекулярных масс.
Для определения вязкости раствора полимера измеряют время
истечения t0 и t (в сек), равных объемов растворителя и раствора через
капилляр вискозиметра при заданной температуре. Концентрацию раствора
(С) обычно выражают в граммах на 100мл растворителя. Для измерения
вязкости используют растворы с С  1г/100мл.
Относительная вязкость (отн) представляет собой отношение времени
истечения раствора к времени истечения растворителя:
h” ˜ ’ =
t
t0
Удельной вязкостью уд называют отношение разности вязкостей
раствора и растворителя к вязкости растворителя:
h —Š =
t− t 0
=h” ˜ ’ − 1
t0
Приведенной вязкостью (пр) называют отношение удельной вязкости
раствора полимера к его концентрации:
h • ð=
h—Š
„
Характеристической вязкостью [] называют предельное значение
отношения уд/С при концентрации раствора, стремящейся к нулю.
Харакеристическую вязкость определяют путем графической
экстраполяции значений уд/С (или lnотн/С), полученных для нескольких
концентраций, к нулевой концентрации.
Относительная и удельная вязкости – безразмерные величины, а
приведенная и характеристическая вязкости имеют размерности, обратные
конценрациям.
Проведение опыта:
Из исходного 1%-ного раствора полиакриламида готовят серию
растворов полимера, разбавленных в соответствии с таблицей.
Объем
исследуемого
раствора, мл
Объем
растворителя
(вода), мл
0
4
8
12
16
16
12
8
4
0
Измеряют вязкость полученных растворов в вискозиметре с диаметром
d=0,56.10-3 м при 250С, предварительно измерив время истечения
растворителя – воды (t0). Среднее время истечения раствора полимера (t) и
растворителя (t0) определяют из пяти измерений.
Лабораторная работа № 4(2ч.)
Тема: Коллоидные растворы. Получение и очистка коллоидных систем.
Коллоидные растворы – это разновидность растворов, содержащих
частицы растворенного вещества больших размеров. Заряд на поверхности
коллоидных частиц препятствует процессу коагуляции (слипания).
Отталкивание одноименно заряженных частиц обеспечивает устойчивость
системы.
1. Получение коллоидного раствора Fe(ОН)3 при гидролизе соли железа
В стакан или коническую колбу емкостью 250 мл налить 200 мл
дистиллированной воды. Нагреть воду до кипения, при перемешивании
постепенно внести 10-15 мл 2%-ного раствора FеCl3. Полученный раствор
кипятить в течении 1-2 минут. При этом образуется прозрачный гидрозоль.
Написать молекулярное и ионное уравнение реакции гидролиза FеCl3.
2. Коагуляция коллоидных растворов электролитами
Налить в 3 конические колбочки по 10 мл полученного коллоидного
раствора Fe(ОН)3. По каплям прибавлять из бюреток 0,1 н растворы: в
первую колбу NaCl, во вторую – Na2SO4, в третью – Na2HPO4. Отметить
количество добавленных растворов электролитов для каждого случая в
момент изменения вида коллоидного раствора (появление мути или осадка), а
также время начала коагуляции.
3. Пептизация осадка Fe(ОН)3
Пептизацией называется расщепление коагулянта на первичные частицы
с образованием золя. Пептизация – явление, противоположное коагуляции.
Внести в микроколбочку 5 мл раствора FеCl3 и добавлять по каплям
раствор аммиака до полного осаждения гидроксида железа. Дать осадку
отстояться, слить с него раствор и два раза промыть водой, каждый раз
перемешивая осадок. К промытому осадку добавить 3-5 мл воды, размешать
и полученную массу разделить на 3 пробирки. В первую пробирку добавить
0,1 мл 0,1 н раствора НCl, во вторую – 0,1 мл насышенного раствора FеCl3, а
третью оставить для сравнения. Через 10 минут сравнить содержимое
пробирок и объяснить результаты наблюдения.
4. Определение порога коагуляции
Порогом
коагуляции
называется
минимальная
концентрация
электролита (в молях на 1 л золя), которая вызывает коагуляцию.
Коллоидный раствор гидроксида железа налить в одну бюретку. Другую
бюретку наполнить водой, в третью налить 0,00125 М раствор сульфата
натрия. Приготовить два штатива по 5 пробирок в каждом и надписать на них
номера восковым карандашом от 1 до 10. Во все 5 пробирок (№ 1-5) в первом
штативе налить из бюретки по 5 мл гидрозоля железа. В других пяти
пробирках (№ 6-10) приготовить растворы Na 2SO4 различной концентрации,
наливая воду и исходный раствор Na 2SO4 из бюреток и следующих
соотношениях (табл. 1):
Таблица 1
Номер пробирки
6
7
8
9
10
Вода, мл
0,5
0,1
1,5
2,0
2,5
Раствор Na 2SO4, мл
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
Приготовленные растворы Na 2SO4 влить в пробирки с золем в
следующем порядке: 6→1, 7→2, 8→3, 9→4, 10→5. Содержимое каждой
пробирки перемешать стеклянной палочкой и оставить в штативе на 10-15
минут. Отметить ту из пробирок, в которой жидкость наименее мутна.
Рассчитать в ней концентрацию Na 2SO4 (в молях на 1 л воды), т.е. порог
коагуляции золя гидроксида железа данным электролитом.
Контрольные вопросы:
1. Каково строение мицеллы гидроксида железа и каков знак заряда ее
гранулы?
2. Как влияет заряд коагулирующего иона на время, проходящее до начала
коагуляции?
3. Каким образом можно отличить коллоидный раствор от истинного?
4. Какими способами можно вызвать коагуляцию коллоидного раствора?
5. Чем объясняется устойчивость коллоидных систем?
Лабораторная работа № 5(2ч.)
Тема: Определение порога коагуляции.
1.8 Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
1.8.1 Рекомендуемая литература.
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Воронько Н. Г. Сборник расчетно-графических заданий и задач по
коллоидной химии : учеб. пособие по дисц. "Коллоидная химия" для
спец. 020101.65 "Химия", 020201.65 "Биология" [и др.] / Воронько Н. Г.
; Федер. агентство по рыболовству, ФГОУВПО "Мурм. гос. техн. ун-т".
- Мурманск : МГТУ, 2009. - 142 с.
2. Гельфман М. И. Коллоидная химия : [учебник для студ. технолог.
высш. учеб. заведений] / Гельфман М. И., Ковалевич О. В., Юстратов
В. П. - 5-е изд., стер. - СПб. [и др.] : Лань, 2010. - 332 с.
3. Семчиков Ю. Д. Высокомолекулярные соединения : учебник для студ.
вузов, обуч. по спец. и направл. "Химия" / Семчиков Ю. Д. - 5-е изд.,
стер. - М. : Академия, 2010.
4. Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии : учеб. пособие для студ., обуч.
по спец. 020101.65 (011000) "Химия" и направл. 020100.62 (510500)
"Химия" / Сумм Б. Д. - М. : Академия, 2006. - 240 с.
5. Щукин Е. Д. Коллоидная химия : учебник для студ. вузов, обуч. по
спец. "Химия" / Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А. - 5-е изд.,
испр. - М. : Высшая школа, 2007. - 444 с.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Алферов В.А. Полимерные материалы: основные компоненты и их
назначение. Учеб. пособие. Тула: Тул. гос. ун-т. – 2001. – 155 с.
2. Гельфман М.К, Юстратов В.П. Коллоидная химия. СПб.: Изд. Лань,
2003. - 336 с.
3. Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. М.: Агар, 2001.-318 с.
4. Киреев В.В. Высокомолекулярные соединения: Учебник для вузов. М.: Высшая школа,-1992.-512с.
5. Кругляков П.М., Хаскова Т.Н. Физическая и коллоидная химия. М.:
Высшая школа, 2005. - 319 с.
6. Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров: Учебник
для вузов.-М.: Высшая школа,-1988.-311.
7. Мушкамбаров КН. Физическая и коллоидная химия. М.: ГОЭТАРМЕД,2001.-383с.
8. Писаренко А.П., Поспелова К.А., Яковлев А.Г. Курс коллоидной химии.
М.: Высш. шк., 1982 или другой год издания. - 348 с.
9. Практикум
по
высокомолекулярным
соединениям:
Учебное
пособие/Под ред. Кабанова В.А.-М.:Химия,1987.-224 с.
10.Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения: Учебное пособие
для студентов вузов. -М.: Академия, - 2003, - 366с.
11.Семчиков Ю.Д., Жильцов С.Ф., Кашаева В.Н. Введение в химию
полимеров: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа,-1988.148с.
12.Тагер А.А. Физико-химия полимеров: Учебник для вузов.3-е изд. - М.:
Химия, 1978.-544с.
13.Химическая энциклопедия: В 5 т. М.:БРЭ, 1988-1998.Т.1-5.
14.
Хмельницкий Р.А. Физическая и коллоидная химия. М.: Высш. шк.,
1988.-400 с.
15.
Шур А.М. Высокомолекулярные соединения: Учебник для
химических факультетов университетов.3-е изд. Перераб. и доп.М.: Высшая школа,-1981.-656с.
16.Энциклопедия полимеров: В 3 т. М.:БСЭ,1977.Т.1-3
1.9 МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
1.9.1 Перечень используемых технических средств:
1.Калориметры.
2.Электромагнитные мешалки.
3. Термометры 0-50°С (точность измерения не ниже ±0,1 °С).
4.Прибор для измерения объема выделившегося газа (точность из
мерения не ниже ±0,2см3).
5.Водяная баня (точность поддержания температуры не ниже ±2°С).
6.Прибор для определения молекулярной массы вещества криоскопическим методом.
7.Термометр Бекмана.
8.Прибор для измерения электропроводности или сопротивление
переменному току (частота не менее 1 кгц).
9.Сосуд Оствальда.
10.Вольтметр или милливольтметр постоянного тока (предел изме
рения 0-2 в. Точность измерения не ниже ±1 мв. Входное сопротивление
не менее 1 мом).
11.Хлорсеребряный, хингидронный, медный, цинковый электроды.
12.рН-метры (точность измерения не ниже ОД единицы рН).
13.Прибор для определения поверхностного натяжения.
14.Лабораторный встряхиватель. Бюретки на 20 или 50 мл.
15.Штативы для пробирок.
16.Электроплитка.
17.Пипетки на 1, 2, 5, 10 мл.
18.Весы технические (точность измерения не ниже 0,01 г).
19.Весы аналитические или (точность измерения не
ниже ±0,001 г).
20.Посуда стеклянная. Колбы мерные 50 мл, колбы конические 100
мл, стаканы 100, 250, 500 мл, пробирки 10 мл, бюксы 10, 20 мл, склянки
для хранения растворов 0,5, 1 л, воронки.
1. 9.2 Перечень используемых пособий:
Методические рекомендации к лабораторным работам № 1-5.
Техника безопасности при работе в химической лаборатории
1.10 Примерные зачетные тестовые задания.
1. Выберите верное утверждение:
1) атомы или молекулы на границе раздела фаз обладают большей энергией
по сравнению с атомами или молекулами в глубине фазы;
2) атомы или молекулы на границе раздела фаз обладают меньшей энергией
по сравнению с атомами или молекулами в глубине фазы;
3) атомы или молекулы на границе раздела фаз и в глубине фазы обладают
одинаковой энергией;
4) нет верного утверждения.
2. Величина поверхностной энергии уменьшается при: а) увеличении
поверхности; б) уменьшении поверхности; в) увеличении поверхностного
натяжения; г) уменьшении поверхностного натяжения.
1) б, г;
2) а, в;
3) б, в;
4) а, г.
3. Уменьшение поверхностной энергии Гиббса происходит за счет
самопроизвольного:
1) уменьшения межфазной поверхности;
2) увеличения межфазной поверхности;
3) изменение, межфазной поверхности не влияет на поверхностную энергию;
4) нет верного ответа.
4. Выберите верное утверждение (для лиофильных коллоидов):
1) мицеллообразование — процесс самопроизвольный, сопровождается
увеличением поверхностной энергии;
2) мицеллообразование — процесс самопроизвольный, сопровождается
уменьшением поверхностной энергии;
3) мицеллообразование — процесс несамопроизвольный, требует затраты
энергии;
4) нет верного утверждения.
5. Самопроизвольный процесс коагуляции сопровождается:
1) уменьшением поверхностной энергии;
2) увеличением поверхностной энергии;
3) при коагуляции поверхностная энергия не изменяется.
6. Выберите верное утверждение:
1) чем больше энергия межмолекулярных взаимодействий, тем меньше
величина поверхностного натяжения;
2) чем меньше энергия межмолекулярных взаимодействий, тем меньше
величина поверхностного натяжения;
3) величина поверхностного натяжения не зависит от энергии
межмолекулярного взаимодействия;
4) нет верного утверждения.
7. При увеличении температуры значение поверхностного натяжения
1) уменьшаемся; 2) увеличивается;
3) не изменяется.
8. Молекулярное притяжение между поверхностями двух соприкасающихся
разнородных фаз называется:
1) когезией;
2) смачиванием;
3) адгезией;
4) адсорбцией.
9. Притяжение атомов, молекул, ионов внутри отдельной фазы называется:
1) когезией;
2) смачиванием; 3) адгезией; 4) адсорбцией.
10. Взаимодействие жидкости с жидкостью или твердым телом при наличии
трех несмешивающихся фаз (одна из которых воздух) называется:
1) когезией;
2) смачиванием;
3) адгезией;
4)
адсорбцией.
11. Поглощение вещества всей массой адсорбента называется:
1) адсорбцией;
2) абсорбцией;
3) сорбцией; 4) десорбцией.
12. Поглощение вещества поверхностью адсорбента называется:
1) адсорбцией; 2) абсорбцией; 3) сорбцией; 4) десорбцией.
13. При физической адсорбции частицы удерживаются на поверхности
адсорбента за счет: а) химического взаимодействия; б) межмолекулярных сил
Ван-дер-Ваальса; в) проникновения в поры адсорбента; г) водородной связи.
Ответ: 1)а;
2) а, г; 3) б, в; 4) б, г.
14. Адсорбция газов на твердых адсорбентах — экзотермический процесс,
поэтому величина адсорбции при охлаждении:
1) возрастает;
2) уменьшается;
3) не меняется;
4) одинакова.
15. Выберите верное утверждение:
1) чем лучше растворитель смачивает поверхность адсорбента, тем меньше
адсорбция растворенного вещества из этого растворителя;
2) чем лучше растворитель смачивает поверхность адсорбента, тем больше
адсорбция растворенного вещества из этого растворителя;
3) величина адсорбции не зависит от взаимодействия растворителя с
адсорбентом;
4) нет верного утверждения
16. Изотерма адсорбции Ленгмюра характеризуется уравнением:
17. Изотерма адсорбции Фрейндлиха характеризуется уравнением:
18. Молекулярная адсорбция зависит от: а) природы адсорбента; б) природы
растворителя; в) природы адсорбата; г) концентрации раствора; д)
температуры.
Ответ: 1) а, б, в;
2) а, в, г, д;
3) а, б, в, г, д;
4) а, б, г, д.
19. Активированный уголь — гидрофобный сорбент и лучше адсорбирует:
1) полярные вещества из неполярных растворителей;
2) неполярные вещества из полярных растворителей;
3) полярные вещества из полярных растворителей;
4) неполярные вещества из неполярных растворителей.
20. К ПАВ относятся вещества, обладающие:
1) положительной поверхностной активностью, при этом адсорбция
отрицательная;
2) отрицательной поверхностной активностью, при этом адсорбция
положительная;
3) положительной поверхностной активностью, при этом адсорбция
положительная;
4) отрицательной поверхностной активностью, при этом адсорбция
отрицательная.
21. Среди перечисленных веществ выберите ПАВ: a) NaCl; б) желчные
кислоты; в) стеарат натрия; г) Na2SO4; д) фосфолипиды.
Ответ: 1) все 2) б, в, д
3)в, г
4) б, в
22. При адсорбции ПИВ на границе раздела фаз величина поверхностной
активности (q) и величина адсорбции (Г)
имеют следующие
значения:
23. Ионы электролитов лучше адсорбируются на:
1) полярных адсорбентах; 2) неполярных адсорбентах; 3) в одинаковой
степени;
4) природа адсорбента значения не имеет.
24. Из ионов одинакового заряда максимальную адсорбционную способность
проявляют ионы:
1) наибольшего радиуса; 2) величина радиуса иона не имеет значения;
3) наименьшего радиуса.
25. Ионы лучше адсорбируются на:
1) полярных адсорбентах; 2) природа адсорбента значения не имеет; 3)
неполярных адсорбентах.
26. К дисперсионным методам получения коллоидных растворов относят
следующие методы: а) механические; б) ультразвуковой; в) пептизация; г)
окисления; д) восстановления.
Ответ:1) а, в, г; 2) б, в, г; 3) а, б, в; 4) а, б, д.
27. К оптическим свойствам коллоидных систем относят: а) седиментацию;
б) опалесценцию; в) эффект Тиндаля; г) дифракцию; д) диффузию.
Ответ:1) а, б, в; 2) б, в, г; 3) а, в, г; 4) б, в, д.
28. К молекулярно-кинетическим свойствам коллоидных систем относятся: а)
броунское движение; б) светорассеивание; в) диффузия; г) опалесценция; д)
седиментация; е) осмотическое движение.
Ответ: 1) а, б, в, г;
2) а, д, г, е; 3) а, в, д, е; 4) б, г, д, е.
29. Рассеивание света в коллоидных системах и наблюдающееся при этом
изменение окраски коллоида называется:
1) эффектом Тиндаля; 2) диффузией; 3) седиментацией; 4)
опалесценцией.
30. Коллоидный раствор, который потерял текучесть—это:
1) эмульсия; 2) гель; 3) золь; 4) суспензия.
31. Гетерогенная микросистема, состоящая из микрокристалла дисперсной
фазы, окруженная сольватируемыми ионами стабилизатора, называется:
1) гранулой; 2) ядром; 3) агрегатом; 4) мицеллой.
32. Мицеллу образует:
1) гранула и диффузный слой;
2) агрегат и диффузионный слой;
3) гранула с диффузным и адсорбционным слоем;
4) агрегат с адсорбционным слоем.
33. Установите соответствие между структурой частицы и ее названием.
Структура частицы
Название
1) гранула + диффузный слой
А) мицелла
2) агрегат + адсорбционный +
+ диффузный слой
Б) гранула
3) агрегат + диффузный слой
В) ядро
34. Ионы, первыми адсорбирующиеся на поверхности агрегата, называются:
1) потенциал определяющими; 2) диффузным слоем; 3) противоионами;
4) адсорбционным слоем.
35. При образовании мицеллы потенциалопределяющие ионы адсорбируются
по правилу:
1) Шульца-Гарди; 2) Ребиндера; 3) Панета-Фаянса; 4) Шилова.
36. Адсорбционный слой мицеллы составляют: а) потенциалопределяющие
ионы; б) противоионы; в) молекулы электролита; г) молекулы неэлектролита.
Ответ: 1) а, б; 2) б, в; 3) в, г; 4) а, в.
37. Если гранула в электрическом поле перемещается к аноду, то она
заряжена:
1) положительно; 2) отрицательно; 3) не имеет заряда; 4) заряд равен 0.
38 Способность мелкопористых мембран задерживать частички дисперсной
фазы и свободно пропускать ионы и молекулы называется:
1) коагуляцией; 3) седиментацией; 2) диализом; 4) опалесценцией.
39. Седиментация — это:
1) оседание частиц под действием сил тяжести;
2) взаимодействие частиц с образованием крупных агрегатов;
3) отталкивание частиц друг от друга;
4) способность частиц находиться во взвешенном состоянии.
40. Процесс слипания коллоидных частиц с образованием более крупных
агрегатов из-за потери агрегативной устойчивости называются:
1) седиментация; 2) коацервация; 3) коагуляция; 4) коллоидная
защита.
41. Коагуляцию вызывают следующие факторы: а) температура; б)
добавление электролита; в) ультразвук; г) механические воздействия.
Ответ: 1) а, б, г; 2) б, в, г; 3) а, б, в; 4) а, б, в, г.
42. К веществам способным вызвать коагуляцию относят:
1) электролиты; 2) белки; 3) полисахариды; 4) ПАВ.
43. Какой вид устойчивости теряют коллоидные системы при коагуляции?
1) кинетическую; 2) конденсационную; 3) агрегативную; 4)
седиментационную.
44. Коагулирующее действие электролита определяется правилом:
1) Панета-Фаянса; 2) Шульце-Гарди; 3) Ребиндера; 4) Шилова.
51. Правило Шульце-Гарди: коагулирующим действием обладает ион
электролита:
1) заряд которого противоположен заряду гранулы;
2) одного и того же знака с зарядом гранулы;
3) радиус которого больше;
4) радиус которого меньше.
45. Уменьшение агрегативной усточивости лиофобных золей при добавлении
небольших количеств ВМС называется:
1) коагуляция; 2) флокуляция; 3) коацервация; 4) коллоидная защита.
46. Растворы ВМС — это системы: а) гомогенные; б) гетерогенные; в)
равновесные; г) образующиеся самопроизвольно; д) образующиеся
несамопроизвольно, требуют стабилизатора:
Ответ: 1) а, в, д; 2) а, в, г; 3) б, в, г; 4) б, г; 5) а, г.
1.11 Вопросы к зачету.
Высокомолекулярные соединения
1. Понятие макромолекулы и полимера. Отличия свойств полимеров от
свойств низкомолекулярных соединений.
2. Биологически значимые свойства полимеров.
3. Молекулярная масса и степень полимеризации макромолекул.
4. Основные методы синтеза полимеров: радикальная и ионная
полимеризация, поликонденсация.
5. Синтез полипептидов, особенности биосинтеза белков.
6. Химическая классификация полимеров.
7. Важнейшие представители карбоцепных синтетических полимеров
(полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат,
полиизопрен, тефлон), области их практического применения.
8. Важнейшие представители гетероцепных (полиамиды и полиэфиры)
синтетических полимеров, области их практического применения.
9. Белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды как важнейшие
представители биополимеров.
10.Понятие о конфигурации и конфигурационных изомерах.
11.Стереорегулярные синтетические полимеры.
12.Конформация макромолекул.
13.Особенности химического строения пептидной связи.
14.Вторичная структура белков и полипептидов.
15.Теория конформационных переходов -спираль → клубок для
полипептидов.
16.Третичная и четвертичная структуры белков.
17.Сущность явления денатурации белков. Обратимая и необратимая
денатурация. Примеры.
18.Структуры нуклеиновых кислот, роль водородных связей в
стабилизации двойной спирали ДНК.
19.Растворы полимеров. Особенности процесса растворения полимеров.
Равновесное и неравновесное набухание. Полимерные гели. Степень
набухания.
20.Понятие об идеальных растворах. Энтальпия и энтропия образования
идеальных растворов.
21.Основы решеточной модели Флори-Хаггинса растворов полимеров.
Энтропия и энтальпия смешения.
22.Понятие термодинамического качества растворителя. Понятие о
коэффициенте набухания макромолекул.
23.Явление фазового разделения в растворах полимеров. Типы фазовых
диаграмм системы полимер-растворитель.
24.Осмотическое давление растворов полимеров.
25.Гидродинамические свойства макромолекул в растворе. Вискозиметрия
разбавленных растворов полимеров.
26.Методы диффузии и седиментации для исследования растворов
полимеров.
27.Полиэлектролиты и их классификация (сильные, слабые, поликислоты,
полиоснования, полисоли, полиамфолиты).
28.Основные отличия полиэлектролитов от неионогенных полимеров.
29.Диссоциация
полиэлектролитов.
Отличие
от
диссоциации
низкомолекулярных электролитов.
30.Осмотическое давление растворов полиэлектролитов, эффект Доннана.
31.Полиамфолиты. Изоэлектрическое и изоионное состояние.
32.Нуклеиновые кислоты и белки как природные полиамфолиты.
Коллоидная химия
1. Понятие о дисперсных системах. Основные особенности коллоидного
состояния вещества.
2. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию и
размерам частиц дисперсной фазы.
3. Рост удельной поверхности с уменьшением размеров частиц дисперсной
фазы. Свободная поверхностная энергия.
4. Поверхностное натяжение и методы его измерения. Адсорбция на
границе раздела жидкость-газ.
5. Скорость реакции. Истинная и средняя скорость реакции. Молекулярность
и порядок реакции. Закон действия масс.
6. Уравнения реакций первого и второго порядка. Период полураспада.
7. Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант -Гоффа.
Понятие активности молекул.
8. Теория активных столкновений Аррениуса. Энергия активации.
Стерический фактор.
9. Основы теории переходного состояния. Активный комплекс. Путь
реакции.
10. Кинетика гетерогенных реакций. Основные этапы гетерогенной
реакции. Понятие лимитирующей стадии гетерогенного процесса.
11. Каталитические реакции. Катализ. Теория гомогенного катализа.
12. Гетерогенный катализ. Причины гетерогенного катализа. Изменение
энергии активации.
13. Понятие свободного радикала. Цепные реакции.
14. 28.Теория электролитической диссоциации. Сильные и слабые
электролиты. Связь константы и степени диссоциации.
15. Теория сильных электролитов. Ионная сила раствора.
16. Электропроводность
электролитов. Удельная и эквивалентная
электропроводность. Перенос ионов и числа переносов.
17. Возникновение скачка потенциала на границе металл-раствор.
Строение двойного электрического слоя. Уравнение Нернста для
элекродного потенциала.
18. Равновесные электродные потенциалы. Электроды сравнения. По
тенциометрическое титрование.
19. Основные условия осуществления реакции электрохимическим
путем. Электрохимическая ячейка, ее типы. Уравнение Нернста для
электродвижущих сил гальванического элемента.
20. Поверхностно-активные вещества, их строение. Уравнение Гиббса
для адсорбции.
21. Зависимость поверхностного натяжения от состава раствора. Формула
Шишковского. Правило Траубе.
22. Адсорбция на твердых поверхностях. Уравнение изотермы адсорбции
Лангмюра.
23. Адсорбция ионов. Эквивалентная, специфическая и обменная. Понятие о
теплоте адсорбции.
24. Смачивание. Гидрофобность и гидрофильность поверхности. Краевой угол
смачивания.
25. Диффузия. Диффузия в коллоидных системах. Уравнение Фика.
26. Броуновское движение. Уравнение, устанавливающее связь между
смещением и коэффициентом диффузии.
27. Понятие об агрегативной и седиментационной устойчивости.
28. Строение мицеллы золя. Электрофорез. Электроосмос.
29. Электрокинетический потенциал. Коагуляция электролитами.
30. Коагуляция и стабилизация коллоидных систем.
31. Порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди.
32. Изоэлектрическое состояние и перезарядка поверхности коллоидных
частиц.
33. Скорость
коагуляции.
Получение
гидрозолей
химическими
конденсационными методами.
34. Методы очистки золей. Диализ, электродиализ, ультрафильтрация.
35. Порошки. Получение. Коагуляция (гранулирование) порошков.
36. Суспензии. Отличие суспензий от золей. Определение степени
дисперсности суспензий. Связь между смачиваемостью поверхности
частиц суспензии дисперсной средой и устойчивостью суспензий.
37. Эмульсии и пены. Типы эмульсий. Получение и стабилизация.
38. Дымы и туманы. Причины агрегативной неустойчивости. Методы
разрушения аэрозолей.
39. Мыла. Моющее действие раствора мыла моющего средства. Строение
мыла. Коллоидная растворимость (солюбилизация) углеводородов в
мицеллах мыла.
40. Понятие о ВМС и их классификация. Межмолекулярное взаимодействие в
ВМС.
41. Агрегатное состояние ВМС. Температура стеклования и течения.
Высокоэластичное состояние.
1.12 Комплект экзаменационных билетов
1.13 Тематика рефератов.
1.14 Примерная тематика курсовых работ.
1.15 Примерная тематика квалификационных (дипломных) работ.
1.16 Методика исследования.
По учебному плану выполнение не предусмотрено.
1.17 Балльно-рейтинговая система, используемая преподавателем для
оценивания знаний студентов по данной дисциплине.
Посещение лекций – 60 баллов (по 4 балла за каждую пару)
Работа на практических занятиях (семинарах) – до 10 баллов (итого 50
баллов)
Самостоятельная работа студента:
ПЗ №1 – до 10 баллов.
ПЗ №2 – до 10 баллов.
ПЗ №3 – до 10 баллов.
ПЗ №4 – до 10 баллов.
ПЗ №5 – до 10 баллов.
Работа на лабораторном занятии – до 5 баллов (итого 25 баллов)
Самостоятельная работа студента, в том числе защита лабораторной
работы, выполнение заданий, ответы на контрольные вопросы):
ЛБ №1 – до10 баллов.
ЛБ №2 – до 10 баллов.
ЛБ №3 – до 10 баллов.
ЛБ №4 – до 10 баллов.
ЛБ №5 – до 10 баллов.
Тестирование по разделу «Высокомолекулярные соединения» – до 45 баллов.
Тестирование по разделу «Коллоидная химия» – до 45 баллов.
Итого: 325 баллов.
Примеры рейтинговых заданий представлены в разделе «Примерные
зачетные тестовые задания».
Задания для самостоятельной работы выполняется студентом с
использованием лекций, учебных пособий и оформляется в письменном
виде. Задание должно быть сдано студентом в строго определенные сроки в
соответствии с учебным календарным планом. Целью самостоятельной
работы студента является подготовка тестированию по соответствующим
темам и экзамену.
Для оценки 5 сумма баллов за все модули должна быть не менее 300,
для оценки 4 – не менее 250 баллов и для оценки 3 – не менее 180 баллов.
Если оценка студента не устраивает или он набрал менее 180 баллов,
студент сдает зачет по дисциплине.
Выполнение практической части обязательно.
РАЗДЕЛ 2. Методические указания по изучению дисциплины
Обучающие программы и демонстрации опытов
Видеозапись наблюдения колебательной
кинетики каталитического окисления Н2 и СО на
http://www.chem.msu.su
атомном уровне
Трехмерный интерактивный мир в химической
http://www.chem.msu.su
электронной литературе
Трехмерные модели некоторых простых
http://www.chem.msu.su
кристаллических веществ
Организация работы и ведение лабораторного журнала
1. Прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, изучите
необходимый материал по учебнику, лекционным записям и методическим
указаниям к ней.
2.
До начала опыта предварительно подробно ознакомьтесь по
методическим указаниям с условиями выполнения данного опыта и
продумайте последовательность операции.
3. Выполняя опыт, соблюдайте все меры предосторожности, количественные
соотношения веществ, проводите необходимые наблюдения.
4. Все лабораторные работы выполняйте индивидуально, за исключением
тех, которые по указанию преподавателя проводятся группами. Опыты
производите в чистой посуде.
5. Не загромождайте свое рабочее место: не кладите на стол портфели,
книги, свертки и пр.
6. Не уносите приборы, аппараты, реактивы общего пользования на свое
рабочее место. Примите за правило: каждый предмет или реактив
необходимо возвращать на место сразу после его использования.
7. Соблюдайте тишину в лаборатории. По окончании работы вымойте
химическую посуду, тщательно уберите рабочее место, отключите воду и
электричество.
8. Запись выполненных работ и обязательных опытов производите в
лабораторном журнале, в котором должны быть представлены все
необходимые наблюдения, схема установки, уравнения реакций, вычисления,
выводы.
Все наблюдения записывайте в лабораторный журнал непосредственно
после проведения каждого опыта. При этом особое внимание следует
обращать на эффект реакции: изменение окраски, выпадение и растворение
осадка, появление характерного запаха и т.д.
Недопустимо пользоваться «случайными» листочками бумаги: это может
привести к ненужной переписке и, кроме того, потере результатов
экспериментов.
В отчете о лабораторной работе должны быть указаны:
1) дата выполнения работы;
2) название лабораторной работы;
3) номер и наименование опыта;
4) рисунок или схема прибора (если пользовались прибором);
5) последовательность выполнения работы (условия проведения и краткое
описание опыта);
6) наблюдаемые явления;
7) уравнения всех реакций, происходящих в опыте;
8) таблица с результатами наблюдений;
9) расчеты (если работа носит количественный характер);
10) графики;
11) ответы на поставленные вопросы;
12) выводы.
К графическому представлению экспериментальных данных
предъявляются следующие требования. График размером около половины
тетрадного листа выполняют карандашом на миллиметровой бумаге и
вклеивают в лабораторный журнал. Координатные оси располагают на
расстоянии 1—1,5 см от края листа и не заканчивают стрелками. Масштаб
выбирают таким образом, чтобы график занимал все поле между осями
координат. При соединении экспериментальных точек следует учитывать не
только относительное их расположение, но и теоретические представления о
виде (типе) зависимости.
РАЗДЕЛ 3. Содержательный компонент теоретического материала.
Раздел I. Высокомолекулярные соединения
Лекция 1-2. Общие представления химии высокомолекулярных
соединений.
Понятие макромолекулы и полимера.
Биологически значимые свойства полимеров.
Молекулярная масса и степень полимеризации макромолекул.
Основные методы синтеза полимеров.
Синтез полипептидов, особенности биосинтеза белков.
Химическая классификация полимеров.
Важнейшие
представители
карбоцепных
и
гетероцепных
синтетических полимеров, области их практического применения.
8. Белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды как важнейшие
представители биополимеров.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Лекция 3-4. Строение и свойства изолированных макромолекул.
1. Понятие о конфигурации и конфигурационных изомерах. Особенности
конфигурационной изомерии синтетических полимеров.
2. Понятие о хиральном и псевдохиральном атоме углерода.
Стереорегулярные синтетические полимеры.
3. Конформация макромолекул. Представление о форме и размерах
изолированной полимерной цепи.
Лекция 5-6. Строение и свойства природных полимеров .
1. Особенности химического строения пептидной связи. Гибкость
белковых макромолекул и понятие об упорядоченных (регулярных)
конформациях. Конформации белков и полипептидов.
2. Кооперативный характер разрушения вторичных структур белков и
полипептидов. Основы теории конформационных переходов -спираль
→ клубок для полипептидов.
3. Представление о третичной и четвертичной структуре белков. Роль
химических, электростатических и неполярных (гидрофобных)
взаимодействий в стабилизации таких структур.
4. Сущность явления денатурации белков. Обратимая и необратимая
денатурация.
5. Общие представления об упорядоченных структурах нуклеиновых
кислот, роль водородных связей в стабилизации двойной спирали ДНК.
Лекция 6. Растворы полимеров.
1. Растворы полимеров. Разбавленные, полуразбавленные и
концентрированные растворы.
2. Особенности процесса растворения полимеров.
3. Понятие об идеальных растворах. Энтальпия и энтропия
образования идеальных растворов.
4. Основы решеточной модели Флори-Хаггинса растворов полимеров.
Энтропия и энтальпия смешения.
5. Явление фазового разделения в растворах полимеров. Типы фазовых
диаграмм системы полимер-растворитель.
6. Осмотическое давление растворов полимеров.
7. Гидродинамические свойства макромолекул в растворе. Физические
основы метода вискозиметрии.
8. Представления о методах диффузии и седиментации для
исследования растворов полимеров.
9. Рассеяние света растворами полимеров. Использования метода для
определения
молекулярной
массы,
второго
вириального
коэффициента и радиуса инерции полимерного клубка.
Лекция 7. Полиэлектролиты.
1. Полиэлектролиты и их классификация. Основные отличия
полиэлектролитов от неионогенных полимеров.
2. Диссоциация
полиэлектролитов.
Отличие
от
диссоциации
низкомолекулярных
электролитов.
Уравнение
Хассельбаха–
Гендерсона.
3. Электростатическая составляющая свободной энергии Гиббса Gel.) и
ее экспериментальное определение из кривых потенциометрического
титрования.
4. Осмотическое давление растворов полиэлектролитов, эффект Доннана.
5. Полиамфолиты. Изоэлектрическое и изоионное состояние.
6. Нуклеиновые кислоты и белки как природные полиамфолиты.
Раздел II. Коллоидная химия
Лекция 8-9. Основные понятия коллоидной химии дисперсных систем.
1. Основные задачи коллоидной химии, значение коллоидной химии для
познания биологических процессов.
2. Основные особенности коллоидного состояния материи.
3. Классификация коллоидных систем.
4.
5.
6.
7.
Понятие о дисперсности.
Получение коллоидных систем: конденсация и диспергирование.
Химические способы получения коллоидных систем.
Очистка
дисперсных
систем,
диализ,
электродиализ,
ультрафильтрация.
Лекция 10. Молекулярно-кинетические
коллоидных систем.
и
оптические
свойства
1. Броуновское движение, диффузия, распределение коллоидных частиц в
гравитационном поле, седиментация.
2. Осмотические свойства коллоидных систем.
3. Закономерности светорассеяния и светопоглощения коллоидных
систем, явление Тиндаля.
4. Оптические методы изучения дисперсных систем, ультрамикроскопия,
нефелометрия, турбидиметрия.
Лекция 11. Поверхностные явления в дисперсных системах.
1. Избыточная поверхностная энергия и поверхностное натяжение на
границе раздела фаз, уравнение Гиббса.
2. Виды сорбции.
3. Адсорбция и связь ее с поверхностным натяжением, поверхностноактивные вещества.
4. Адсорбция из газовой фазы, изотерма Ленгмюра, строение
адсорбционного слоя на границе раствор–газ.
5. Адсорбция из растворов, обменная адсорбция, избирательная
адсорбция, смачивание, флотация. Уравнение Фрейндлиха, области его
применения.
Лекция 12. Электрические свойства дисперсных систем.
1.
2.
3.
4.
Электрокинетические явления, электрофорез, электроосмос.
Строение двойного электрического слоя, теория Гельмгольца.
Понятие электрокинетического потенциала.
Строение мицеллы.
Лекция 13. Устойчивость коллоидных систем.
1.
2.
3.
4.
5.
Агрегативная и седиментационная устойчивость.
Факторы стабилизации дисперсных систем.
Коагуляция коллоидных систем.
Факторы, вызывающие коагуляцию, коагуляция электролитами.
Теории коагуляции: адсорбционная и электростатическая.
Лекция 14. Микрогетерогенные системы: эмульсии, пены, аэрозоли.
1. Эмульсии, классификация, методы получения, стабилизация,
обращение фаз в эмульсиях.
2. Пены, методы получения, устойчивость. Физико-химические основы
пеногашения.
3. Аэрозоли, классификация, методы получения. Методы очистки от
аэрозолей.
4. Дымы и туманы. Причины агрегативной неустойчивости. Методы
разрушения аэрозолей.
Лекция 15. Микрогетерогенные системы: мыла, гели и студни.
1. Мыла. Моющее действие раствора мыла. Строение мыла.
2. Коллоидная растворимость углеводородов в мицеллах мыла.
3. Растворы ВМС. Переход полимера в раствор. Аномальная вязкость
растворов ВМС.
4. Гели и студни. Свойства гелей и студней. Явления синерезиса и
тиксотропии.
РАЗДЕЛ 4. Словарь терминов (Глоссарий).
Относительная атомная масса (Аr) — число, которое показывает, во сколько раз масса
атома данного элемента больше 1/12 части массы атома изотопа углерода 12С.
Относительная молекулярная масса (Мг) — это число, которое показывает, во сколько
раз масса молекулы (формульной единицы) данного вещества больше 1/12 части массы
атома изотопа углерода 12С.
Моль — единица количества вещества. Моль — количество вещества, содержащее
~ 6,02 • 1023 молекул (если вещество состоит из молекул) или = 6,02 • 1023 атомов (если
вещество состоит из атомов).
Число Авогадро (NA) — постоянная, показывающая число молекул (атомов) в одном
моле любого вещества: NA = 6,02 • 1023 моль-1
Молярная масса вещества (М) — масса одного моля вещества. Молярная масса
вещества в г/моль численно равна относительной молекулярной массе.
Закон Авогадро: в равных объемах различных газов при одинаковых условиях
(температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.
Молярный объем газа (VM) — объем одного моля газа, который при нормальных
условиях (273 К и 101,3 кПа) равен 22,4 л (VM° =22,4 л/моль).
Относительная плотность газа X по газу Y — отношение плотности газа X к плотности
газа Y, которое равно отношению молекулярных или молярных масс соответствующих
газов.
Массовая доля химического элемента X в сложном веществе — отношение
суммарной массы атомов элемента X к массе молекулы сложного вещества.
Массовая доля данного вещества (компонента) в смеси веществ — отношение массы
компонента к массе смеси.
Объемная доля газа X в смеси газов — отношение объема газа X к объему смеси газов.
Простейшая (эмпирическая) формула вещества — формула, которая показывает
простейшие целочисленные соотношения чисел атомов разных элементов в данном
веществе (например, простейшей формулой глюкозы С6Н12О6 является СН2О).
Молекулярная (истинная) формула вещества — формула, показывающая реальное
число атомов в молекуле вещества (или в его формульной единице, если речь идет о
ионных соединениях).
Закон сохранения массы веществ: общая масса всех веществ, вступивших в
химическую реакцию, равна общей массе всех продуктов реакции.
Выход продукта реакции (массовая доля выхода) — отношение практически
полученной массы (числа молей) вещества к массе (числу молей), теоретически
рассчитанной по уравнению реакции.
Электроотрицательность элемента — количественный критерий металличности и
неметалличности, характеризующий способность атома данного элемента притягивать к
себе электроны, участвующие в образовании химической связи с другим атомом.
Химическая связь — силы, которые обусловливают связывание атомов.
Диполь — система из двух разноименных зарядов, находящихся на определенном
расстоянии друг от друга.
Гидратация в растворах — взаимодействие частиц растворяемого вещества с
молекулами воды, не связанное с разрушением этих молекул.
Гидратированные ионы — ионы, связанные с молекулами воды.
Электролитическая диссоциация (ионизация) — процесс распада ионных соединений
или соединений с ковалентной полярной связью на ионы; происходит в водных растворах
и в расплавах.
Электролиты — вещества, которые в водных растворах и в расплавах диссоциируют на
ионы.
Степень электролитической диссоциации — отношение числа молекул, распавшихся
на ионы, к общему числу растворенных молекул.
Сильные электролиты — вещества, которые в водных растворах полностью
распадаются на ионы (степень диссоциации равна 1).
Слабые электролиты — вещества, которые в водных растворах лишь частично
распадаются на ионы (степень диссоциации меньше 1).
Комплексные соли — соли, состоящие из катионов металла и комплексных анионов
(K4[Fe(CN)6] , Na2[PtCl6] и др.) или из комплексных катионов и анионов кислотных
остатков.
РАЗДЕЛ 5. Практикум по решению задач (практических ситуаций) по
темам лекций.
http://him.1september.ru/
РАЗДЕЛ 6. Изменения в рабочей программе, которые произошли после
утверждения программы.
Характер
изменений в
программе
Номер и дата
протокола заседания
кафедры, на котором
было принято
данное решение
Подпись заведующего
кафедрой,
утверждающего
внесенное изменение
Подпись декана
факультета (проректора
по учебной работе),
утверждающего данное
изменение
РАЗДЕЛ 7. Учебные занятия по дисциплине ведут:
Ф.И.О., ученое звание и
Учебный
Факультет
Специальность
степень преподавателя
Сагайдачная В.В., кандидат
педагогических наук, доцент
кафедры биологии и химии
Сагайдачная В.В., кандидат
педагогических наук, доцент
кафедры биологии и химии
год
2010/2011
ЕФК и БЖД
020201 - Биология
2011/2012
ЕФК и БЖД
020201 - Биология