Программа коллоквиумов (2008)

Московский государственный университетимени М.В. ЛомоносоваХимический факультетПРОГРАММА КОЛЛОКВИУМОВПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИдля студентов IV к. Химического факультета МГУМОСКВА 2008 г.Программа переработана доц.Н.И. Ивановой, доц. Л.И. Лопатиной, доц. О.А.Соболевойиодобреначленамиметодическойкомиссии:зав.кафедрой,проф.В.Г. Куличихиным (председатель комиссии), ст преп. В.Д. Должиковой, проф.

В.Н.Матвеенко, проф. А.В. Перцовым,. ст.преп. Е.В Породенко, ст.преп. А.В.Синевой2Тема 1. ВВЕДЕНИЕ.Предмет коллоидной химии. Основные разделы и направления коллоидной химии,объекты и цели изучения. Классификация дисперсных систем: по размерам частиц, поагрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по концентрации.Количественные характеристики дисперсности: дисперсность, радиус кривизны, удельнаяповерхность. Понятие о лиофильных и лиофобных дисперсных системах Особенностинанодисперсного(коллоидного)состояниявещества.Универсальностьдисперсногосостояния вещества. Определяющая роль поверхностных явлений в коллоидной химии.Взаимосвязь коллоидной химии с другими химическими дисциплинами, с физикой,биологией, геологией, почвоведением, медициной.

Значение коллоидной химии в охранеокружающей среды.ЧАСТЬ 1. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ.Тема 2. Термодинамика поверхностных явлений.Свободная поверхностная энергия границы раздела фаз. Поверхностные силы.Поверхностное натяжение. Понятие о методе слоя конечной толщины. Метод избыточныхтермодинамических функций поверхностного слоя (по Гиббсу). Поверхность разрыва иразделяющая поверхность. Термодинамические характеристики поверхностного слоя:полная энергия, свободная энергия и энтропия. Влияние температуры на избыточныетермодинамические функции поверхностного слоя индивидуальных жидкостей. Критическаятемпература.Поверхностная энергия и взаимодействия между молекулами (атомами, ионами) вконденсированной фазе.

Работа когезии. Дисперсионные и недисперсионные взаимодействияв полярных и неполярных фазах. Константа Гамакера.Поверхность раздела между конденсированными фазами. Работа адгезии, ее связь схарактеристиками межмолекулярного взаимодействия. Сложная константа Гамакера.Правило Антонова; условия его применения.Тема 3. Смачивание и капиллярные явления.3Смачивание.

Краевой угол смачивания. Вывод уравнения Юнга. Термодинамическиеусловия смачивания и растекания. Влияние шероховатости и химической неоднородноститвердой поверхности на смачивание.Избирательное смачивание. Гидрофильность и гидрофобность поверхности твердыхтел; количественные характеристики гидрофильности и гидрофобности твердых тел ипорошков.Капиллярные явления. Капиллярное давление. Вывод уравнения Лапласа длясферических поверхностей, общая форма. Капиллярное поднятие жидкости, уравнениеЖюрена, капиллярная постоянная жидкости.Влияние кривизны поверхности (радиуса частиц) на давление насыщенного пара ирастворимость веществ. Вывод закона Томсона (Кельвина). Капиллярная конденсация.Процессы изотермической перегонки в дисперсных системах.Основные методы измерения поверхностного натяжения жидкостей.

Статические,полустатические и динамические методы.Определение поверхностной энергии твердых тел.Тема 4. Адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ).Адсорбция как процесс концентрирования веществ в поверхности раздела фаз.Величина адсорбции как избыточное количество вещества в поверхностном слое (поГиббсу). Выбор разделяющей поверхности. Вывод уравнения Гиббса. Поверхностноактивные и поверхностно-инактивные вещества.Поверхностная активность. Относительность понятия «поверхностная активность».Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ. Уравнение Шишковского.Влияние строения молекул ПАВ на поверхностную активность.

Правило Дюкло- Траубе.Адсорбция растворимых ПАВ. Уравнение Ленгмюра для мономолекулярнойадсорбции. Условие равновесия адсорбционного слоя и объема раствора. Работа адсорбции.Теоретическое обоснование правила Дюкло-Траубе. Движущая сила процесса адсорбции.Строение адсорбционных монослоев растворимых ПАВ и расчет размеров молекул.4Адсорбционные слои нерастворимых ПАВ. Поверхностное (двухмерное) давление.Весы Ленгмюра. Изотермы двухмерного давления: уравнения состояния для идеального иреального газов. Основные типы пленок: газообразные, жидкорастянутые, жидкие, твердые.Условия перехода пленки от одного типа к другому.

Пленки Ленгмюра-Блоджетт.Адсорбция ПАВ на поверхности раздела несмешивающихся жидкостей. Правилоуравнивания полярностей Ребиндера. Понятие о гидрофильно-липофильном балансе (ГЛБ).Адсорбция ПАВ из растворов на поверхности твердых тел.

Модифицирующее действиеПАВ: гидрофилизация и гидрофобизация твердой поверхности. Применение ПАВ дляуправления процессами смачивания и избирательного смачивания твердых тел.Классификация органических ПАВ по молекулярному строению: ионогенные (аниони катионактивные, амфолитные), неионогенные. Значение ГЛБ. Высокомолекулярные ПАВ(примеры, отличия от низкомолекулярных ПАВ). Проблема биоразлагаемости ПАВ.Классификация ПАВ по механизму их действия (смачиватели, диспергаторы,стабилизаторы, моющие вещества).Тема 5.

Электроповерхностные явления в дисперсных системах.Двойной электрический слой (ДЭС). Причины образования ДЭС на поверхностираздела твердое тело-раствор. Условие равновесия между заряженной поверхностью ираствором электролита. Строение ДЭС: модель плоского конденсатора (Гельмгольц); учеттеплового движения ионов (модель Гуи-Чепмена); роль химической природы ионов (теорияШтерна-Гельмгольца).

Уравнение Пуассона-Больцмана для диффузной части ДЭС.Изменение потенциала в плотной и диффузной части в зависимости от расстояния отповерхности для сильно и слабо заряженных поверхностей.Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциалы течения иоседания. Электрокинетический потенциал; граница скольжения. Вывод уравненияГельмгольца-Смолуховского для электрофореза и электроосмоса. Экспериментальноеопределениеэлектрокинетическогопотенциала.Практическиеприложенияэлектрокинетических явлений.Строениемицеллыгидрофобногозоля.Влияниеконцентрациииприродыэлектролита (индифферентные и неиндифферентные электролиты) на строение ДЭС и5величину электрокинетического потенциала. Изоэлектрическое состояние в дисперсныхсистемах. Основы ионного обмена.

Лиотропные ряды.ЧАСТЬ II. ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.Тема 6. Получение и свойства дисперсных систем.Лиофильныеилиофобныедисперсныесистемы:конденсационныеидиспергационные методы получения.Лиофильные системы. Самопроизвольное диспергирование макрофаз: критерийсамопроизвольного диспергирования (по Ребиндеру-Щукину), примеры (критическиеэмульсии, микроэмульсии).Образование мицелл в водных растворах ПАВ.

Критическая концентрациямицеллообразования (ККМ). Основные методы определения ККМ. Зависимость ККМ отстроения молекул ПАВ. Термодинамика мицеллообразования: энтропийная природамицеллобразования ПАВ в водных растворах, тепловые эффекты. Диаграмма фазовыхсостояний; точка Крафта.Влияние концентрации ПАВ на строение мицелл. Жидкокристаллические системы.Мицеллообразование в неводных средах. Природа сил при образовании обратныхмицелл.Солюбилизация в прямых и обратных мицеллах, зависимость от температуры иконцентрации.Микроэмульсиикакпримерлиофильныхдисперсныхсистем;условияихобразования. Диаграммы состояния трехкомпонентных систем.Практические приложения мицеллярных систем и микроэмульсий (в химии,нефтедобыче, биологии).Лиофобные системы. Диспергационные методы получения лиофобных систем, связьработы диспергирования с поверхностной энергией твердых тел.6Конденсационные способы получения дисперсных систем: химические и физическиеметоды получения дисперсных систем (золей, эмульсий, пен, аэрозолей).

Основытермодинамики гомогенного образования зародышей новой фазы (по Гиббсу, Фольмеру).Работа образования зародышей новой фазы, зависимость размера критического зародыша иработы его образования от метастабильности исходной макрофазы. Образование новой фазыпри конденсации из пересыщенного пара, кристаллизации из растворов и расплавов.Кинетика образования и роста зародышей новой фазы в метастабильных системах. Методырегулирования размеров частиц в дисперсных системах.Гетерогенное образование новой фазы: влияние смачивания и шероховатостиповерхности на работу образования частиц новой фазы.Тема 7.

Молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем; методыдисперсионного анализа.Седиментация и диффузия в дисперсных системах, коэффициент диффузии.Седиментационно-диффузионное равновесие, определение числа Авогадро. Броуновскоедвижениевдисперсныхсистемах.ОсновытеорииЭйнштейна-Смолуховского.Седиментационный анализ суспензий и эмульсий. Интегральная и дифференциальнаякривые распределения частиц по размерам.Рассеяние света в коллоидных системах. Закон светорассеяния Рэлея, условия егоприменимости. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

Окраска дисперсных систем. Оптическиеметоды измерения размеров и формы дисперсных частиц (нефелометрия, метод «спектрамутности», ультрамикроскопия, фотон-корреляционная спектроскопия).ЧАСТЬ III. УСТОЙЧИВОСТЬ И ЭВОЛЮЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.Тема 8. Агрегативная устойчивость лиофобных дисперсных систем.Седиментационная и агрегативная устойчивость дисперсных систем. Изменениеэнергии Гельмгольца в процессах коалесценции, коагуляции, изотермической перегонки ипри распаде агрегатов, состоящих из частиц коллоидного размера; условие пептизации.Тонкиепленки.Понятиеорасклинивающемдавлении.Молекулярныевзаимодействия в дисперсных системах, молекулярная составляющая расклинивающегодавления для симметричных и несимметричных пленок.

Сложная константа Гамакера.7Электростатическаясоставляющаярасклинивающегодавлениядлясильноислабозаряженных коллоидных частиц. Основы теории Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека(ДЛФО). Изменение избыточной свободной энергии и расклинивающего давления оттолщины пленки. Условия потери системой агрегативной устойчивости.Факторы стабилизации дисперсных систем: электростатическая, адсорбционная иструктурная составляющие расклинивающего давления, эффекты Гиббса и Марангони и ихроль в устойчивости тонких пленок.

Роль гидродинамических эффектов в устойчивостипленок.Структурно-механический барьер по Ребиндеру как сильный фактор стабилизациидисперсных систем. Роль реологических свойств адсорбционных слоев и лиофилизацииповерхности частиц в устойчивости дисперсных систем.Аэрозоли.Классификация.Молекулярно-кинетическиесвойствааэрозолей.Седиментация аэрозолей. Электрические свойства аэрозолей, причины возникновения зарядана поверхности частиц. Практическое использование аэрозолей. Аэрозоли и охранаокружающей среды.Пены и пенные пленки.