При реализации дисциплины “Коллоидная химия” на занятиях лекционного типа предусмотрены следующие интерактивные формы обучения в образовательном процессе:
- презентации;
- обучающие компьютерные программы по профилю подготовки.
- учебные дискуссии на заданную тему.
Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, составляет не менее 30 % лекционных занятий (10 часов).
Самостоятельная работа студентов
Рабочей программой дисциплины “Коллоидная химия” предусмотрена самостоятельная работа студентов в объеме 56 часов. Самостоятельная работа проводится с целью углубления и расширения знаний по дисциплине и предусматривает следующие виды внеаудиторной работы студентов:
- работа с рекомендованной литературой и с Интернет - источниками с целью усвоения теоретического материала дисциплины;
- подготовка к лабораторным занятиям в соответствии с их тематикой, оформление отчета, решение обучающих задач, ответы на контрольные вопросы;
– выполнение индивидуальной контрольной работы;
– подготовка к экзамену.
Тематика вопросов, выносимых на самостоятельное изучение, определяется по мере прохождения учебной программы и предусматривает рекомендацию преподавателем учебников из списка рекомендуемой литературы с указанием конкретных разделов, глав и параграфов, необходимых для успешного освоения учебного материала и составления краткого конспекта.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Индивидуальная контрольная работа
Задачник: Расчеты и задачи по коллоидной химии /под редакцией В.И. Барановой. - М.: Высшая школа, 1989.– 288 с.
1 Обработка результатов полимолекулярной адсорбции газов и паров на твердом адсорбенте по методу БЭТ и Арановича (задачи II. 4.1 – II 4.19, с 44-46).
2 Определение предельного адсорбционного объема адсорбента по изотерме адсорбции, использование характеристической кривой для построения изотермы адсорбции при разных температурах (задачи II. 4. 20 – II. 4. 34, с. 46 - 49).
3 Построение кривой капиллярной конденсации, интегральной и дифференциальной кривых распределения объема пор адсорбента по радиусам (задачи II. 4. 39 – II. 4. 53,
с. 49 - 52).
4 Расчет и построение интегральной и дифференциальной кривых распределения объема пор по радиусам по данным порограмм (задачи II. 4.54 – II. 4. 68, с. 52 - 55).
5 Проверка теории быстрой коагуляции на основе опытных данных (задачи VI. 11. 38 – VI. 11. 46, с. 176 - 177).
ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ (ПК-2)
1 Признаки дисперсных систем- гетерогенность и дисперсность. Геометрические параметры поверхности – дисперсность и удельная поверхность, взаимосвязь между ними; кривизна поверхности и ее знак. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы; по размерам частиц; лиофильные и лиофобные дисперсные системы; свободно- и связнодисперсные системы. Примеры.
2 Метод избыточных функций Гиббса в термодинамике поверхностных явлений и фундаментальное уравнение для поверхностного слоя. Расчет избыточной поверхностной энергии. Зависимость от температуры энергетических параметров поверхностного слоя на границе жидкость-газ.
3 Адсорбция и ее количественные характеристики - абсолютная и избыточная (гиббсовская) адсорбция. Вывод фундаментального адсорбционного уравнения Гиббса.
4 Характерный вид изотерм поверхностного натяжения растворов. Поверхностно-активные и -инактивные вещества. Органические поверхностно-активные вещества (ПАВ). Использование изотерм поверхностного натяжения и адсорбционного уравнения Гиббса для расчета избыточной адсорбции ПАВ и изотермы адсорбции на границе водный раствор ПАВ – воздух. Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра. Поверхностная активность и ее изменение в гомологических рядах ПАВ. Правило Дюкло-Траубе. Строение поверхностных монослоев растворимых ПАВ и расчет характеристик молекул ПАВ из экспериментальных данных.
5 Зависимость поверхностного натяжения раствора от концентрации ПАВ. Уравнение Шишковского. Использование изотерм поверхностного натяжения и адсорбционного уравнения Гиббса для расчета избыточной адсорбции ПАВ и изотермы адсорбции. Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра как следствие совместного рассмотрения уравнений Гиббса и Шишковского. Взаимосвязь эмпирических параметров уравнения Шишковского с параметрами уравнения Ленгмюра и их расчет из экспериментальных данных.
6 Строение и размер молекул коллоидных ПАВ. Гидрофильно-липофильный баланс. Классификация и ассортимент ПАВ. Мицеллообразование в растворах коллоидных ПАВ. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), основные методы определения ККМ. Строение прямых и обратных мицелл при различных концентрациях ПАВ. Солюбилизация. Практическое использование мицеллярных растворов коллоидных ПАВ в химии, нефтедобыче, биологии, быту (механизм моющего действия). Экологические последствия попадания синтетических ПАВ в поверхностные воды.
7 Седиментационный анализ полидисперсных систем. Закон Стокса и границы его применимости. Закономерности оседания частиц суспензий под действием силы тяжести и расчет их радиусов из экспериментальных данных. Кривая седиментации, уравнение Сведберга – Одена. Предел седиментации и его экспериментальное определение. Использование седиментационной кривой для построения интегральной и дифференциальной кривых распределения частиц суспензии по размерам.
8 Светорассеяние и светопоглощение, эффект Тиндаля. Уравнение Рэлея, границы его применимости и его анализ. Мутность золей и ее экспериментальное определение. Нефелометрия и турбидиметрия. Определение размеров коллоидных частиц белых золей оптическими методами. Эмпирическое уравнение Геллера и методика определения размера частиц на основе спектра мутности.
9 Образование и модели строения двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Потенциал поверхности. Падение потенциала в пределах диффузной части двойного слоя, уравнение Гуи-Чепмена. Взаимосвязь заряда поверхности с поверхностным натяжением на границе раздела фаз. Уравнение Липпмана. Электрокапиллярные кривые.
10 Электрокинетические явления, граница скольжения и электрокинетический потенциал. Изменение характеристик двойного электрического слоя и величины электрокинетического потенциала под действием индифферентных и неиндифферентных электролитов. Электрофорез, электроосмос, потенциалы седиментации и течения. Уравнение Гельмгольца - Смолуховского. Экспериментальное определение электрокинетического потенциала. Практическое использование электрокинетических явлений.
11 Природа сил взаимодействия при когезии и адгезии. Работа когезии и адгезии (уравнение Дюпре). Адгезия на границе твердое тело-жидкость. Смачивание. Угол смачивания (краевой угол) и закон Юнга. Связь работы адгезии с краевым углом (уравнение Дюпре-Юнга). Лиофильность и лиофобность поверхностей. Влияние ПАВ и температуры на угол смачивания. Измерение краевого угла. Влияние шероховатости твердой поверхности на её смачивание. Условия растекания жидкостей.
12 Флотация и ее разновидности.
13 Влияние кривизны поверхности на внутреннее давление тел. Термодинамический вывод уравнения Лапласа и его частные случаи для поверхностей разной геометрии. Причина капиллярного поднятия жидкости, формула Жюрена. Определение поверхностного натяжения жидкостей по методу наибольшего давления в пузырьке (метод Ребиндера) и капиллярному поднятию.
14 Зависимость термодинамической реакционной способности твердых и жидких веществ от их дисперсности. Уравнение капиллярной конденсации Кельвина. Влияние дисперсности на растворимость твердых веществ и температуру фазового перехода. Изотермическая перегонка. Использование в технике и химической технологии изменения термодинамических свойств веществ в результате их диспергирования.
15 Конденсационные способы получения дисперсных систем. Гомогенная и гетерогенная конденсация. Термодинамический анализ процесса образования зародышей при гомогенной конденсации из пересыщенного пара, из переохлажденной жидкости. Критический радиус зародыша и его взаимосвязь со степенью пересыщения материнской фазы. Методы регулирования размеров частиц в дисперсных системах. Влияние внесенных извне центров конденсации. Примеры получения дисперсных систем методами физической и химической конденсации.
16 Пористые тела - дисперсные системы с твердой дисперсионной средой (активированные угли, силикагели, цеолиты), их классификация и способы получения.Физическая адсорбция и хемосорбция. Природа адсорбционного взаимодействия. Количественное выражение адсорбции и основы экспериментальной методики получения изотерм низкотемпературной адсорбции газов и паров. Основы теории мономолекулярной адсорбции. Уравнение Ленгмюра и его анализ.
17 Основы экспериментальной методики получения изотерм низкотемпературной адсорбции газов и паров на твердых адсорбентах и количественное выражение адсорбции. Модель полимолекулярной адсорбции и уравнение её изотермы по БЭТ и по Арановичу. Вычисление параметров уравнений БЭТ, Арановича, а также удельной поверхности адсорбента из экспериментальных данных. Ограничения при проведении расчетов.
18 Явление капиллярной конденсации паров на адсорбентах с переходными порами. Влияние формы пор на капиллярную конденсацию и ход изотерм адсорбции и десорбции. Капиллярно-конденсационный гистерезис. Использование изотермы десорбции для построения интегральной и дифференциальной кривых распределения пор по размерам.
19 Потенциальная теория Поляни. Адсорбционный потенциал. Методика построения характеристической кривой на основе изотермы адсорбции на границе твердый адсорбент – газ. Температурная инвариантность и аффинность характеристических кривых и практическое использование этих свойств. Особенности адсорбции на микропористых адсорбентах. Теория объемного заполнения микропор Дубинина. Уравнение Дубинина - Радушкевича. Практическое использование адсорбции газов и паров на твердых адсорбентах.
20 Избирательная адсорбция ПАВ из растворов на твердом адсорбенте и расчет избыточной адсорбции из экспериментальных данных. Ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое. Использование уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха для описания изотермы адсорбции. Расчет параметров уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха и удельной поверхности твердого адсорбента.
21 Закономерности получения гидрозолей малорастворимых веществ методом химической конденсации и гидролиза, пептизация осадков. Правило Фаянса-Панета. Строение коллоидных мицелл. Получение ультрадисперсных порошков оксидов металлов методом золь-гель технологии.
22 Адсорбция из растворов электролитов. Ионнообменная адсорбция, ее особенности и практическое применение. Природные и синтетические иониты. Природа ионогенных групп ионитов, их тип и форма. Понятие об ионообменных процессах в почвах. Использование ионного обмена в процессах обессоливания и снижения жесткости природной воды.
23 Виды устойчивости дисперсных систем. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы. Понятие о расклинивающем давлении и его составляющих. Электростатический, адсорбционно-сольватный, структурно-механический и энтропийный факторы устойчивости. Основы теории устойчивости лиофобных золей ДЛФО (качественное рассмотрение). Соотношения между силами отталкивания и притяжения коллоидных частиц в зависимости от расстояния между ними. Потенциальные кривые взаимодействия коллоидных частиц.
24 Обоснование начала быстрой коагуляции лиофобных золей в рамках теории ДЛФО. Коагуляция электролитами, нейтрализационный и концентрационный механизмы коагуляции. Порог коагуляции и его экспериментальное определение. Правило Шульце-Гарди и его обоснование в теории ДЛФО. Гетерокоагуляция. Коллоидные примеси в природных водах, условия осуществления и особенности коагуляционных процессов при осветлении и обесцвечивании природных и очистке сточных вод. Флокулянты.
25 Реологические характеристики растворов полимеров и использование измерений вязкости для определения средней молекулярной массы ВМС. Уравнения Штаудингера, Марка-Куна-Хаувинка и Хаггинса для растворов полимеров. Реологические свойства растворов амфотерных полиэлектролитов - белков. Изоэлектрическая точка белка, ее экспериментальное определение (вискозиметрия, светорассеяние) и практическое использование. Разделение смесей белков методом электрофореза.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля) “Коллоидная химия”
Основная литература:
1 Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. - М.: Химия. I изд.-1982; II изд-1989. 464 с.
2 Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. - СПб.: Химия, II изд.-1984, III изд.-1995. 400 с.
3 Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. - М.: изд. МГУ, 1982. или М.: Высшая школа, 2004.
4 Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии /под ред. Ю.Г. Фролова, А.С. Гродского. - М.: Химия, 1986.
5 Сталюгин В.В., Кривошапкин П.В., Краснов А.Г., Михайлов В.И. Лабораторный практикум по коллоидной химии. 2012
Дополнительная литература:
6 Сумм Б.Д. Основы коллоидной химии. - М.: Изд центр Академия, 2006. 240 с.
7 Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1975. 512 с.
8 Зимон А.Д. Коллоидная химия. - М.: Агар, 2004. 320 с.
9 Адамсон А. Физическая химия поверхностей. - М.: Мир, 1979.
10 Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984. 313 с.
11 Плаченов Т.Г., Колосенцев С.Д. Порометрия. Л.: Химия, 1988. 175 с.
12 Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия. СПб.: Лань, 2004. 336 с.
13 Расчеты и задачи по коллоидной химии /под редакцией В.И. Барановой. - М.: Высшая школа,1989.
14 Практикум и задачник по коллоидной химии: поверхностные явления и дисперсные системы. / Под ред. В.В.Назарова и А.С.Гродского. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 374 с.
15 Практикум по коллоидной химии /под редакцией И.С. Лаврова. - М.: Высшая школа,1983.
16 Практикум по коллоидной химии /под редакцией М.И. Гельфмана. - СПб.: Лань, 2005. 256 с.
17 Практикум по коллоидной химии /под редакцией В.Г. Куличихина - М.: Вузовский учебник: ИНФРА–М, 2012. 288 с.
18 Шершавина А.А. Индивидуальные задания по коллоидной химии. Минск: Новое знание, 2008. 276с.
19 Сумм Б.Д., Иванова Н.И. Объекты и методы коллоидной химии в нанохимии. // Успехи химии. _ 2000. _ Т. 69. _ № 11. _ С. 995-1008.
