О.А. Соболева - Методическая разработка по курсу «коллоидная химия»

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИмени М.В.ЛомоносоваХимический факультетКафедра коллоидной химииДоцент О.А.СоболеваМЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКАПО КУРСУ «КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ»для студентов II курса геологического факультетаМосква – 2013г.1  Курс коллоидной химии предназначен для студентов геологическогофакультета, специализирующихся на кафедрах инженерной геологии,гидрогеологии и геокриологии. Курс знакомит студентов с основамисовременного учения о дисперсных системах и поверхностных явлениях.Цель курса состоит в освоении студентами теоретических иэкспериментальных основ коллоидной химии и их приложений в геологии.К основным вопросам, изучаемым в данном курсе, относятся: свойстваграниц раздела фаз (межфазных поверхностей); поверхностные явления(адсорбция, смачивание, капиллярные явления и электроповерхностныеявления); пути и условия образования дисперсных систем, их молекулярнокинетические и оптические свойства; устойчивость и эволюция дисперсныхсистем, структурообразование и реологические свойства дисперсных систем;изучение путей и способов управления свойствами дисперсных систем,использование коллоидно-химических процессов в охране окружающейсреды.

Универсальность дисперсного состояния вещества определяетфундаментальность и междисциплинарность коллоидной химии, ее роль изначение для ряда естественных наук: геологии, почвоведения, биологии,медицины, материаловедения и др.Освоение студентами курса коллоидной химии в соответствии сучебным планом предусматривает проработку лекционного курса спривлечением соответствующей литературы и выполнение лабораторныхработ в практикуме.Весь материал курса разделен на 3 темы:1. Поверхностные явления в дисперсных системах.2.

Образование дисперсных систем и их электроповерхностныесвойства.3. Устойчивость,молекулярно-кинетическиеиструктурномеханические свойства дисперсных систем.Лабораторные работы преследуют цель усвоения и закрепленияматериала по соответствующим темам, а также привитие студентамнеобходимого минимума практических навыков в постановке и выполненииколлоидно-химических экспериментов и обработке результатов.

По каждойтеме предусмотрено выполнение и защита 2-х – 3-х лабораторных работ исдача трех коллоквиумов, соответствующих основным темам.По завершении курса коллоидной химии студенты сдаюттеоретический зачет.2  Объем курса: 54 часа, в том числе 18 часов лекции и 36 часовпрактикума, включая выполнение лабораторных работ и сдачуколлоквиумов.Темы лекцийЛекция 1. Определение, основные задачи и направления коллоиднойхимии. Дисперсные системы, универсальность дисперсного состояниявещества. Классификация дисперсных систем. Роль коллоидной химии вгеологии.

Границы раздела фаз. Поверхностное натяжение, его связь смежмолекулярными взаимодействиями. Работа когезии. Межфазноенатяжение. Работа адгезии.Лекция 2. Смачивание идеальных и реальных поверхностей. УравнениеЮнга. Термодинамические основы несмачивания, смачивания и растекания.Избирательное смачивание. Гидрофильные и гидрофобные поверхности.Капиллярное давление. Капиллярные явления: капиллярное поднятие,стягивание частиц менисками смачивающих жидкостей. Зависимостьдавления насыщенных паров (растворимости частиц) от радиуса критивныповерхности. Закон Томсона (Кельвина) и его следствия: изотермическаяперегонка, перекристаллизация, капиллярная конденсация.Лекция 3.

Адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ) израстворов на границах раздела фаз водный раствор/воздух, водныйраствор/неполярная жидкость и раствор/твердое тело. Влияние ПАВ наповерхностное натяжение. Влияние адсорбционных слоев ПАВ насмачивание. Гидрофилизация и гидрофобизация твердых поверхностей.Использование явления адсорбции в геологии: флотационное обогащениеруд, очистка водных растворов от растворенных веществ.Лекция 4. Образование термодинамически устойчивых и неустойчивыхдисперсных систем в результате процессов диспергирования и конденсации(или кристаллизации). Эффект Ребиндера.Лекция 5.

Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем.Броуновское движение. Диффузия. Седиментация. Седиментационнодиффузионное равновесие. Оптические свойства дисперсных систем.Дисперсионный анализ.Лекция 6. Электроповерхностные свойства дисперсных систем.Причины образования и модели строения двойного электрического слоя.Ионный обмен. Значение ионного обмена в геологии (образованиевторичных месторождений, концентрирование и разделение элементов вземной коре, ионный обмен в почвах и др.). Электрокинетические явления.3  Понятие об электрокинетическом потенциале. Влияние электролитов настроение двойного электрического слоя и величину электрокинетическогопотенциала.Лекция 7. Устойчивость и эволюция дисперсных систем.Седиментационная и агрегативная устойчивость. Коагуляция золей поддействием электролитов.

Основы теории ДЛФО. Роль процессов коагуляциив геологии. Факторы, обеспечивающие стабильность и разрушениедисперсных систем.Лекция 8. Структурообразование и структурно-механические свойствадисперсных систем. Типы дисперсных структур. Образование и прочностьдисперсных структур. Явление тиксотропии. Основы реологии.Реологическое поведение свободно- и связнодисперсных систем.Лекция 9. Коллоидно-химические методы охраны окружающей среды.Использованиепроцессовседиментации,адсорбции,коагуляции,флокуляции, ионного обмена, диализа, электрофореза в технологиях очисткисточных вод.4  Методические указания к коллоквиумамТема I. Поверхностные явления в дисперсных системахОпределение и классификация дисперсных систем; характеристикистепени дисперсности.

Универсальность дисперсного состояния вещества.Нанодисперсные системы. Поверхностное натяжение, связь с энергиейвзаимодействия между молекулами (атомами, ионами) в объемеконденсированной фазе. Работа когезии и адгезии. Влияние температурына поверхностное натяжение. Критическая температура. Межфазноенатяжение, правило Антонова. Смачивание твердых тел жидкостями,уравнение Юнга. Термодинамические условия несмачивания, смачивания ирастекания. Влияние шероховатости и химической неоднородности твердойповерхности на величины краевых углов. Избирательное смачивание,гидрофильные и гидрофобные поверхности.

Капиллярные явления:капиллярное давление, закон Лапласа. Капиллярное поднятие, стягивающаясила менисков. Значение капиллярных явлений для геологических систем(увлажнение грунтов и горных пород, связность грунтов). Влияние кривизныповерхности (размеров частиц дисперсной фазы) на давление насыщенногопара и растворимость твердых частиц. Закон Томсона (Кельвина).

Рольпроцессов изотермической перегонки, собирательной рекристаллизации,капиллярной конденсации в геологических системах (грунтах, горныхпородах).Поверхностно-активные (ПАВ) и поверхностно-инактивные вещества.Изотермы поверхностного натяжения. Понятие поверхностной активности.Уравнение Шишковского. Адсорбция ПАВ на границе вода/воздух.Адсорбционное уравнение Гиббса. Изотерма адсорбции Ленгмюра.

ПравилоДюкло-Траубе. Адсорбция ПАВ на границах раздела конденсированных фаз(жидкость/жидкость и жидкость/твердое тело); правило уравниванияполярностей; хемосорбция. Вода как поверхностно-активное вещество.Адсорбционные методы определения удельной поверхности.

Управлениесмачиванием твердых тел с помощью ПАВ. Гидрофилизация игидрофобизация твердых поверхностей. Роль адсорбции в очистке воды отзагрязняющих веществ. Коллоидно-химические основы флотационногоразделения минералов.5  Тема II. Образование дисперсных систем и электроповерхностныесвойстваОбразованиелиофобныхсвободнодисперсныхсистемпридиспергировании. Зависимость прочности твердых тел от поверхностногонатяжения и размеров дефектов. Уравнение Гриффитса.

Адсорбционноепонижение прочности твердых тел (эффект Ребиндера), условия проявленияэффекта Ребиндера, его роль в разрушении грунтов и горных пород.Образованиелиофобныхдисперсныхсистемприконденсации(кристаллизации). Гомогенное и гетерогенное образование зародышей новойфазы при фазовых переходах. Физические и химические способыобразования природных дисперсных систем – золей труднорастворимыхсоединений, поликристаллов, тумана, пен. Получение лиофильныхдисперсных систем при самопроизвольном диспергировании макрофаз.Микроэмульсии и критические эмульсии. Мицеллообразование в водныхрастворах.

Критическая концентрация мицеллообразования и способы ееопределения. Солюбилизация. Использование мицеллярных систем имикроэмульсий в нефтедобыче.Причины возникновения двойного электрического слоя (ДЭС) награнице твердого тела с водной средой. Модели строения ДЭС.Распределение противоионов в плотной и диффузной частях ДЭС, падениепотенциала в ДЭС. Электрокинетические явления: электроосмос,электрофорез, потенциалы и токи течения и седиментации. УравнениеГельмгольца-Смолуховского для описания скорости электрофореза.Электрокинетический (ζ-) потенциал.

Закономерности ионного обменамежду ДЭС и раствором. Роль ионного обмена в образовании вторичныхместорождений, в распределении и концентрировании элементов. Влияниеионного обмена на фильтрационные и агрохимические свойства почв.Поверхностная проводимость. Влияние электролитов на строение ДЭС,величину ζ-потенциала и заряд коллоидных частиц. Практическоеиспользование электрокинетических и электроповерхностных явлений вгеологии.6  Тема III. Устойчивость, молекулярно-кинетические и структурномеханические свойства дисперсных системБроуновское движение и диффузия в коллоидных системах.Седиментация в дисперсных системах. Седиментационно-диффузионноеравновесие. Основы седиментационного анализа. Получение интегральной идифференциальной кривых распределения частиц по размерам.

Агрегативнаяи седиментационная устойчивость дисперсных систем. Изменение свободнойповерхностнойэнергиивследствиесамопроизвольныхпроцессовкоагуляции, коалесценции, рекристаллизации. Роль тонких пленок вустойчивости дисперсных систем. Расклинивающее давление в тонкихпленках (по Дерягину). Молекулярная и электростатическая составляющиерасклинивающего давления. Факторы стабилизации дисперсных систем.Основы теории ДЛФО. Коагуляция лиофобных золей электролитами. Связьустойчивости (и коагуляции) с величиной ζ-потенциала. Роль процессовкоагуляции и флокуляции в геологии: формирование дельт рек,почвообразование, образование осадков из труднорастворимых солей и др.Структурообразование в дисперсных системах.