Задачи изучения дисциплины Требования к знаниям и умениям студента

Набережные Челны

Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для специальности 280201.65 "«Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», а также типовой программы по дисциплине «Коллоидная химия» (Московский государственный университет, химический факультет, кафедра коллоидной химии).

 

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры химии и экологии

________________ «______» _____________200__г.

 

Зав. кафедрой ______________________ (Соколов М.П.)

(подпись)

 

 

Рабочая программа одобрена методической комиссией факультета

«____» _____________200__г.

 

Председатель МК ___________________ (Нетфуллов Ш.Х.)

(подпись)

 

 

Декан факультета ___________________ (Чернов В.А.)

(подпись)

 

1. Цели и задачи дисциплины, её место в подготовке специалистов данного профиля.

Цель преподавания дисциплины.

Коллоидная химия является одной из фундаментальных естественных наук, объединяющей, углубляющей и завершающей химическое образование инженеров–экологов.

Коллоидная химия – это важная самостоятельная часть химической науки, изучающая дисперсное состояние вещества и поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия исходит из представления о дисперсности – микрогетерогенности как универсальном состоянии вещества во всех природных объектах и технологических системах. Таковы горные породы и почвы, ткани живых организмов, таковы всевозможные материалы, суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли, построенные из малых (очень малых, до нанометров) частиц: зерен, клеток, волокон, пленок,– которые сохраняют еще, однако, свойства данной фазы и границы раздела с соседними фазами. Высокая развитость межфазных поверхностей – носителей энергетических избытков (т.е. специфического, активированного состояния вещества) – служит общей чертой всех этих объектов и систем и определяет их свойства и протекающие в них процессы. Особое место занимает здесь адсорбция – самопроизвольное концентрирование определенных, поверхностно–активных компонентов на межфазных границах, меняющее химическую природу границ и позволяющее управлять процессами в природных и технологических дисперсных системах.

Развивая этих представления, курс коллоидной химии последовательно рассматривает строение межфазных границ в дисперсных системах, закономерности и механизмы физико–химических процессов на границах; условия образования новых дисперсных фаз и их свойства (специфические – коллоидно–химические свойства и неспецифические – общие и для коллоидно– дисперсных, и для молекулярно–дисперсных систем); общие закономерности устойчивости дисперсных систем, принципы и методы их стабилизации и дестабилизации и их приложение к конкретным дисперсным системам с различными твердыми, жидкими и газообразными фазами; взаимодействие частиц и структурообразование в дисперсных системах – как введение в новую главу коллоидной химии – физико–химическую механику.

Особенно велика роль коллоидной химии в деле защиты окружающей среды, т.к. многие природные объекты: почва, земля, атмосфера, разнообразные водоемы, облака, туманы, тела животного и растительного происхождения, – являются дисперсными системами.

Курс коллоидной химии ставит целью дать четкое представление о теоретических и экспериментальных основах этой дисциплины, выделяя ее особую роль как междисциплинарной науки, синтезирующей знания из смежных разделов химии, физики, биологии и других естественных наук.

Лабораторные работы, указанные в прилагаемом перечне, ставят целью привить учащимся необходимый минимум умений и навыков в постановке и выполнении коллоидно–химических опытов как общей научной основы.

Задачи изучения дисциплины Требования к знаниям и умениям студента.

В результате изучения курса коллоидной химии студент должен получить знания, необходимых для освоения специальных технологий и методов, а также для дальнейшей практической деятельности с учетом достижений науки и техники. Студент должен:

– знать фундаментальные законы и основополагающие понятия коллоидной химии,

– иметь теоретические основы для глубокого понимания сложных физико–химических процессов, происходящих в дисперсных системах различных типов, а также на поверхности раздела фаз,

– овладеть методами исследования и приобрести экспериментальные навыки работы с оборудованием лаборатории коллоидной химии.

Студент должен уметь применять полученные знания для решения конкретных научных и практических задач, проводить коллоидно–химические расчёты, пользоваться справочной литературой.

Знания, умения и навыки, полученные студентом при изучении коллоидной химии, являются базовыми для последующего изучения ряда специальных дисциплин: «Очистные сооружения», «Химия окружающей среды», «Экологический мониторинг», «Промышленная экология».

Содержание и структура дисциплины.

2.1. Лекции, их содержание и объём в часах, наименование тем(34 часа)

2.1.1. Введение. Характеристика дисперсных систем.(2 часа)

Предмет и содержание курса коллоидной химии. Отличительные признаки дисперсных систем: гетерогенность и дисперсность. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, а также по размеру частиц дисперсной фазы. Лиофильные и лиофобные системы, сходство и различия между ними.

2.1.2. Термодинамика поверхностных явлений. Поверхностное натяжение. (2 часа)

Граница раздела фаз, ее силовое поле. Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение) как характеристика этого поля. Основы термодинамики поверхностных явлений. Сгущение термодинамических функций в поверхностном слое. Критическая точка по Менделееву. Методы измерения поверхностного натяжения на легкоподвижных границах фаз.

 

2.1.3. Основные закономерности адсорбции.(2 часа)

Адсорбция как поверхностное явление. Причины и виды адсорбции. Физическая и химическая адсорбция. Фундаментальное уравнение адсорбции Гиббса. Эмпирические уравнения Генри и Фрейндлиха. Теплота адсорбции. Влияние температуры на адсорбцию. Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. Теория полимолекулярной адсорбции Поляни. Теория БЭТ. (Брунауэр, Эммет, Теллер).

2.1.4. Адсорбция на границе раздела жидкость-газ.(2 часа)

Особенности адсорбции на границе жидкости с газовой средой. Поверхностно–активные и поверхностно–инактивные вещества. Особенности строения молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) и их ориентация на межфазной поверхности. Связь между поверхностным натяжением, концентрацией растворенного вещества и адсорбцией. Уравнение Шишковского. Поверхностная активность. Связь уравнений Ленгмюра и Шишковского. Влияние на адсорбцию строения и размера молекул ПАВ. Правило Дюкло–Траубе. Определение длинны и площади, занимаемой молекулой в предельно насыщенном адсорбционном слое.

 

2.1.5. Адсорбция на твердых поверхностях.(2 часа)

Особенности адсорбции на поверхности твердых тел. Адсорбция газов на твердых поверхностях. Капиллярная концентрация. Адсорбция жидкостей на твердых поверхностях. Правило уравнивания полярности Ребиндера. Адсорбция ионов из растворов на твердой поверхности. Правило Фаянса–Панета. Зависимость адсорбции ионов от величины их радиуса. Лиотропные ряды Ионообменная адсорбция. Применение ионообменных процессов в промышленности и экологии.

2.1.6. Адгезия, как поверхностное явление(2 часа)

Причины и механизм адгезии. Работа адгезии и когезии. Смачивание. Иммерсионное и контактное смачивание. Краевой угол смачивания. Уравнение Юнга. Гистерезис смачивания. Практическое значение смачивания.

 

2.1.7. Структурообразование в дисперсных системах. Структурно–механическте свойства дисперсных систем. (2 часа)

Свободнодисперсные и связнодисперсные системы. Понятие о тиксотропии. Течение и вязкость свободнодисперсных агрегатно устойчивых систем. Уравнение Ньютона. Уравнение Эйнштейна и границы его применения. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Методы определения вязкости. Механические свойства дисперсных систем. Природа упругости, прочности, ползучести связнодисперсных систем.

 

2.1.8. Оптические свойства дисперсных систем.(2 часа)

Классификация явлений, наблюдаемых при прохождении света через дисперсную систему. Рассеяние и поглощение света. Опалесценция и флуоресценция. Уравнения Релея и Ламберта–Бера, их анализ. Оптические методы определения размеров частиц золя и исследования свойств дисперсных систем: турбидиметрия, нефелометрия, ультрамикроскопия.

 

2.1.9. Молекулярно кинетические свойства дисперсных систем.(2 часа)

Причина молекулярно кинетических явлений. Броуновское движение и диффузия в дисперсных системах. Теория броуновского движения по Эйнштейну и Смолуховскому. Диффузия. Закон Фика. Коэффициент диффузии, уравнение Эйнштейна – Смолуховского. Осмотические явления в дисперсных системах. Зависимость осмотического давления от размеров частиц дисперсной фазы. Роль броуновского движения, диффузии и осмоса в производственных, технологических и биологических процессах.

 

2.1.10. Электрические свойства дисперсных систем.(2 часа)

Электрокинетические явления в дисперсных системах. Электрофорез, электроосмос, потенциал седиментации, потенциал течения. Механизм образования и строение двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Электрокинетический или (дзета)–потенциал. Влияние различных факторов на величину –потенциала. Специфическая адсорбция, перезарядка поверхности, изоэлектрическое состояние. Уравнение Гельмгольца–Смолуховского. Практическое применение электрокинетических явлений.

 

2.1.11. Седиментационная и агрегативная устойчивость дисперсных систем.(2 часа)

Седиментационная (кинетическая) устойчивость дисперсных систем. Седиментационно-диффузионное равновесие. Скорость седиментации. Седиментационный анализ. Центрифуга и ее применение в дисперсном анализе.

Агрегативная устойчивость дисперсных систем. Процессы, нарушающие агрегативную устойчивость: коагуляция, коалесценсия, изотермическая перегонка.

 

2.1.12. Коагуляция. (2 часа)

Теория коагуляции Смолуховского. Кинетика быстрой и медленной коагуляции. Расклинивающее давление по Дерягину. Современная теория коагуляции лиофобных золей электролитами – теория ДЛФО (Дерягин, Ландау, Фервей, Овербек). Зависимость коагуляции от природы и концентрации электролита. Правила Шульце-Гарди. Коагуляция смесью электролитов, антагонизм, синергизм.

 

2.1.13. Получение и очистка дисперсных систем. (2 часа)

Классификация методов получения дисперсных систем. Методы диспергирования, их характеристика. Конденсационные методы получения дисперсных систем. Физическая конденсация. Химическая конденсация. Мицеллообразование в дисперсных системах, строение мицелл. Метод пептизации, его сущность. Очистка коллоидных систем: диализ, электродиализ, ультрафильтрация, обратный осмос.

 

2.1.14. Дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой. (2 часа)

Суспензии и золи, их сходство и различия. Влияние размеров частиц и удельной поверхности золей на свойства систем. Переход золя в гель. Структура и свойства гелей. Синерзис. Пасты как структурированные системы.

Эмульсии прямые и обратные. Классификация. Способность к самопроизвольному образованию. Стабилизаторы эмульсий. Обращение фаз в эмульсиях. Деэмульгирование. Применение эмульсий. Пены. Строение, свойства и механизм образования. Кратность пен. Устойчивость пен. Методы разрушения. Твердые пены. Получение и применение пен.

 

2.1.15. Дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой. (1 час)

Аэрозоли. Образование, особенности строения, свойства. Практическое значение аэрозолей. Аэрозоли и охрана окружающей среды. Методы разрушения и улавливания аэрозолей. Борьба с загрязнением атмосферы.

2.1.16. Коллоидные поверхностно-активные вещества (ПАВ).(1 час)

Строение и размер молекул коллоидных ПАВ. Классификация. Примеры природных и синтетических ПАВ. Критическая концентрация мицеллообразования, её определение. Механизм моющего действия. Мицеллообразование и солюбилизация. Применение коллоидных ПАВ.

2.1.17. Коллоидная химия высокомолекулярных соединений (ВМС)(2 часа)

Особенности строения молекул ВМС. Классификация ВМС. Свойства растворов ВМС. Зависимость вязкости растворов ВМС от концентрации. Способы определения и выражения вязкости: относительная, удельная, предельная, характеристическая вязкость. Эмпирическое уравнение Марка-Хаувинка. Набухание, образование студней и их свойства.

Важнейшие представители природных и синтетических ВМС. Белки. Зависимость конформации молекул белка от рН среды. Денатурация белков.

 

2.1.18. Коллоидно-химические основы охраны окружающей среды.(2 часа)

Очистка воды от коллоидных частиц загрязнений. Использование принципов коагуляции, флокуляции, электроагуляция. Фильтрование и ультрафильтрация. Очистка воды от поверхностно–активных загрязнений. Применение пенной сепарации.

Очистка воды от токсичных соединений, растворимых в воде. Использование адсорбции и ионного обмена.

Методы разрушения и улавливания аэрозолей. Адсорбция, фильтрация, электроосаждение, инерционное осаждение. Борьба с загрязнением атмосферы.

 

2.2. Лабораторные занятия, их наименование и объём в часах.(17 часов)

2.2.1. Поверхностное натяжение (2 часа).

2.2.2. Адсорбция на границе жидкость-газ (2 часа).

2.2.3. Адсорбция на твердой поверхности. Молекулярная адсорбция из растворов (2 часа).

2.2.4. Реологические свойства дисперсных систем (2 часа).

2.2.5. Электрические свойства дисперсных систем. Определение изоэлектрической точки белка (2 часа).

2.2.6. Коагуляция золей электролитами. Определение порога коагуляции (2часа).

2.2.7. Методы получения дисперсных систем (2 часа).

2.2.8. Определение критической коагуляции мицеллообразования коллоидных поверхностно–активных веществ (2 часа).

2.2.9. Итоговое занятие. Допуск к зачету по теоретическому курсу (1 час).

 

 

2.3. Содержание самостоятельной работы студентов, её объём в часах (34 часа)

2.3.1. Изучение нового теоретического материала (8 часов);

2.3.1.1. Мембраны и мембранные процессы (2 часа);

Мембранное равновесие Доннана. Мембранные технологии и их применение в промышленности. Типы мембран: газоселективные, ионообменные, динамические, биологические. Мембранный катализ.

 

2.3.1.2. Сыпучие материалы (порошки) и их свойства (2 часа);

Характерные свойства порошков: способность к течению и гранулирование. Пневмотранспорт и псевдоожижение.

 

2.3.1.3. Системы с твердой дисперсионной средой (2 часа);

Характеристика дисперсных систем типа Т/Т и Ж/Т, твердые золи, сплавы, твердые эмульсии. Коллоидно–химические свойства дисперсных систем с твердой дисперсионной средой.

 

2.3.1.4. Теория растворов высокомолекулярных соединений (2 часа).

Основные положения молекулярной теории растворов полимеров. Термодинамика растворения высокомолекулярных веществ.

 

2.3.2. Проработка лекционного материала (17 часов).

2.3.3. Подготовка к лабораторным занятиям (9 часов).


Календарный план изучения дисциплины.

 

Номера Количество часов Используемые пособия (номера из раздела 3) Самостоятельная работа студента Форма контроля
Недели Темы рабочей программы Лекции Лабор. занятия Рекомендуем. литература Ча– сы
2.1.1.   3.1 1, с. 9–29  
2.1.2.     1, с. 30–45  
2.2.1.     1, с. 33–41, с.86–88 Защита лаб. работы
2.1.3.     1, с. 60–74, 3, с. 81–105  
2.1.4.     1, с. 75–85, 3, с. 114–128  
2.2.2.     1, с. 75–83 Защита лаб. работы
2.1.5.     1, с. 89–104, 3, с, 137–151  
2.1.6.     1, с. 46–60  
2.2.3.     1, с. 89–102 Защита лаб. работы
2.1.7.   3.2 1, с. 170–185  
2.1.8.     1, с. 123–130, 3, с, 33–44  
2.2.4.     1, с. 175–179 Защита лаб. работы
2.1.9.     1, с. 131–142  
2.1.10.     3.3 1, с. 109–118  
2.2.5.     1, с. 109–114, 292–294 Защита лаб. работы
2.1.11.   3.4 1, с. 143–153  
2.1.12.     3, с. 261–308  
2.2.6.     3, с. 286–294 Защита лаб. работы
2.1.13.     1, с. 190–200  
2.1.14.   3.5 1, с. 222–236, 3, с. 366–381  
2.2.7.     1, с. 190–200 Защита лаб. работы
2.1.15.     1, с. 246–255  
2.1.16.     1, с. 297–308  
2.1.17.     1, с. 266–282  
2.2.8.       Защита лаб. работы
2.1.18.     1, с. 100–105, 3, с. 360–365  
2.2.9.       Допуск к зачету по теоретичес–кому курсу