Кафедра коллоидной химии РХТУ им. Д.И.Менделеева
  Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева
   

Основные разделы

Общая информация
Бакалавриат
Магистратура
Аспирантура
Учебная работа
Научная работа
Учебные пособия
Полезная информация
Рекомендуемая литература
Контактная информация

Коллоидная химия в Интернете

Коллоидный журнал
Colloids & Surfaces
J. of Colloid & Interface Science
IUPAC
Сайт кафедры на muctr.ru

 

 

 

 

Программа курса

 

I . Введение. Содержание и задачи курса

Коллоидная химия – наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Связь коллоидной химии со смежными науками. Поверхностные явления – результат межфазного взаимодействия. Основные поверхностные явления и свойства: адгезия и смачивание, капиллярность, адсорбция, электрокапиллярные и электрокинетические явления и т.д.

Основные особенности дисперсных систем – гетерогенность и большая удельная поверхность, количественные характеристики дисперсности. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Классификация свободнодисперсных систем по размерам частиц. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы. Роль поверхностных явление и дисперсных систем в природе, народном хозяйстве и, в частности, химической технологии. Коллоидная химия и защита окружающей среды.

II. Термодинамика поверхностных явлений

Общая характеристика поверхностной энергии. Поверхностная энергия в общем уравнении 1-го и 2-го начал термодинамики. Поверхностное натяжение как мера энергии Гиббса межфазной поверхности. Поверхностное натяжение – характеристика природы соприкасающихся фаз и их взаимодействия. Свойства поверхностей жидких и твердых тел. Внутренняя (полная) удельная поверхностная энергия. Зависимость энергетических параметров поверхности от температуры. Процессы самопроизвольного уменьшения поверхностной энергии.

Адсорбция и поверхностное натяжение. Связь адсорбции с параметрами системы: изотерма, изопикна и изостера адсорбции. Метод избытков Гиббса. Фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса. Гиббсовская адсорбция. Частное выражение уравнения Гиббса. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества.

Адгезия, смачивание и растекание жидкостей. Адгезия и когезия. Природа сил межфазного взаимодействия. Уравнение Дюпре для работы адгезии. Смачивание и краевой угол. Закон Юнга. Связь работы адгезии с краевым углом (уравнение Дюпре-Юнга). Лиофильные и лиофобные поверхности. Методы определения краевых углов. Влияние ПАВ на смачивание. Растекание жидкостей. Коэффициент растекания по Гаркинсу. Значение адгезии, смачивания и растекания в химической технологии.

Дисперсность и термодинамические свойства тел. Правило фаз Гиббса и дисперсность. Влияние кривизны поверхности на внутреннее давление тел (уравнение Лапласа). Поверхностная энергия и равновесные формы тел. Принцип Гиббса-Кюри. Закон Вульфа. Капиллярные явления, их роль в природе и технологии. Методы определения поверхност­ного натяжения. Зависимость термодинамической реакционной способности от дисперсности. Уравнение капиллярной конденсации Кельвина. Влияние дисперсности на растворимость, константу равновесия химической реакции, температуру фазового перехода.

Получение дисперсных систем. Методы диспергирования. Уравнение Ребиндера для работы диспергирования. Адсорбционное понижение проч­ности (эффект Ребиндера). Гомогенная и гетерогенная конденсация. Метастабильное состояние. Энергия Гиббса образования зародыша новой фазы, критический радиус зародыша. Две стадии образования новой фазы. Связь кинетики образования новой фазы с пересыщением. Управление дисперсностью при гомогенной конденсации. Примеры получения дисперсных систем методами физической и химической конденсации.

III. Адсорбционные равновесия

Классификация механизмов адсорбции (физическая адсорбция, хемосорбция и ионообменная). Природа адсорбционных сил. Особенности составляющих сил Ван-дер-Ваальса (ориентационных, индукционных и дисперсионных) при адсорбции. Уравнение для потенциальной энергии взаимодействия атома (молекулы) с поверхностью тела.

Адсорбция газов и паров на однородной поверхности. Закон Генри. Уравнение мономолекулярной адсорбции Ленгмюра и его анализ. Опреде­ление констант этого уравнения (линейная форма уравнения Ленгмюра). Уравнение Фрейндлиха. Теория полимолекулярной адсорбции БЭТ, уравнение изотермы адсорбции, его анализ. Линейная форма уравнения БЭТ и расчет его констант. Определение удельной поверхности методом БЭТ.

Адсорбция газов и паров на пористых материалах. Количественные характеристики пористых материалов. Пористые тела корпускулярной, кристаллической и губчатой структуры, методы их получения. Классификация пор по Дубинину и теории адсорбции.

Теория капиллярной конденсации. Капиллярно-конденсационный гистерезис. Расчет интегральной и дифференциальной кривых распределения объема пор по размерам.

Особенности адсорбции на микропористых материалах. Потенциальная теория Поляни. Адсорбционный потенциал. Характеристическая кривая адсорбции. Температурная инвариантность и афинность характеристических кривых. Обобщенное уравнение теории Дубинина объемного заполнения микропор, частные случаи этого уравнения (Уравнение Дубинина-Радушкевича). Адсорбция газов и паров в химической технологии.

Расчет энергетических параметров адсорбции. Теплота адсорбции и смачивания на энергетически однородной и неоднородной поверхности. Дифференциальная и интегральная теплоты адсорбции.

Адсорбция поверхностно-активных веществ. Влияние строения моле­кул ПАВ на поверхностную активность, правило Траубе. Зависимость по­верхностного натяжения от состава раствора при соблюдении закона Генри и уравнения Ленгмюра. Уравнение Шишковского. Уравнения состояния газообразных поверхностных (адсорбционных) пленок. Типы поверх­ностных пленок и определение их характеристик. Весы Ленгмюра. Факторы, определяющие агрегатное состояние адсорбционных пленок. Определение строения адсорбционного слоя и размеров молекул ПАВ.

Ионообменная адсорбция. Классификация ионитов и методы их получения. Основные физико-химические характеристики ионитов. Полная и динамическая обменные емкости, набухаемость и селективность. Уравнение и константа равновесия ионного обмена, уравнение Никольского.

IV. Электрические явления на поверхности

Механизм образования двойного электрического слоя (ДЭС). Соотношения между электрическим потенциалом и поверхностным натяжением (уравнения Липпмана). Электрокапиллярные кривые и определение параметров ДЭС по этим кривым.

Общие представления о теориях строения ДЭС. Уравнение Пуассона-Больцмана для диффузной части ДЭС и его решение. Уравнение Гуи-Чепмена. Толщина диффузного слоя и влияние на нее различных факторов. Емкость ДЭС. Двойной электрический слой по теории Штерна, перезарядка поверхности. Примеры образования ДЭС. Строение мицеллы.

Четыре вида электрокинетических явлений. Электрокинетический потенциал и влияние на него различных факторов. Уравнение Гельмгольца-Смолуховского для электроосмоса и электрофореза. Эффекты, не учитываемые этим уравнением (поверхностная проводимость, электрофоретическое торможение, релаксационный эффект). Практическое использование электрокинетических явлений.

V. Кинетические и оптические свойства дисперсных систем

Основы седиментационного анализа. Связь размеров частиц со ско­ростью их осаждения. Условия соблюдения закона Стокса. Седиментационный анализ полидисперсных систем. Кривая седиментации. Кривые распределения частиц по радиусам. Экспериментальные методы в седиментационном анализе. Седиментация в центробежном поле.

Броуновское движение и его молекулярно-кинетическая природа. Связь между средним сдвигом частиц и коэффициентом диффузии (закон Эйнштейна-Смолуховского). Экспериментальная проверка закона Эйнштейна-Смолуховского. Следствия из теории броуновского движения.

Седиментационно-диффузионное равновесие, гипсометрический закон. Седиментационная устойчивость дисперсных систем.

Особенности оптических свойств дисперсных систем. Уравнение Рэлея для светорассеяния, его анализ. Фиктивное поглощение света дисперсными системами и уравнение Бугера-Ламберта-Бера. Оптические методы исследования дисперсных систем (нефелометрия, турбидиметрия). Определение размеров частиц, не подчиняющихся уравнению Рэлея (уравнение Геллера). Уравнение Дебая для определения молекулярных мицеллярных масс.

Ультрамикроскоп, определение размеров частиц в золях, поточный ультрамикроскоп.

VI. Агрегативная устойчивость и коагуляция дисперсных систем

Общие вопросы устойчивости дисперсных систем. Седиментационная и агрегативная устойчивости систем. Лиофильные и лиофобные системы: самопроизвольное образование одних и необходимость стабилизации других. Критерий лиофильности систем по Ребиндеру-Щукину.

Лиофильные дисперсные системы. Классификация и общая характеристика поверхностно-активных веществ. Термодинамика и механизм мицеллообразования. Строение мицелл ПАВ. Солюбилизация. Основные факторы, влияющие на ККМ. Методы определения ККМ. Применение ПАВ.

Лиофобные дисперсные системы. Факторы устойчивости лиофобных систем. Быстрая и медленная коагуляция. Кинетика коагуляции по Смолуховскому. Определение скорости и времени половинной коагуляции. Зависимость числа частиц разного порядка от времени.

Основные положения теории ДЛФО. Расклинивающее давление и его составляющие. Энергия электростатического отталкивания при взаимодействии слабозаряженных поверхностей. Силы и энергия притяжения. Общее уравнение для энергии взаимодействия дисперсных частиц. Потенциальные кривые взаимодействия частиц в ионостабилизированных дисперсных системах. Потенциальный барьер и его зависимость от толщины диффузного слоя. Коагуляция в первичном и вторичном минимумах. Нейтрализационная и концентрационная коагуляция. Порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди. Коагуляция в системах, стабилизированных ВМС и ПАВ. Методы очистки промышленных растворов, основанные на изменении агрегативной и седиментационной устойчивости дисперсных систем.

VII. Структурно-механические свойства и реологический метод

исследования дисперсных систем

Возникновение объемных структур в различных дисперсных системах. Структурообразование по теории ДЛФО. Коагуляционно-тиксотропные и конденсационно-кристаллизационные структуры. Переход одних структур в другие. Теория структурообразования (физико-химическая механика) – основа получения новых материалов.

Реологический метод исследования дисперсных систем. Основные понятия и идеальные законы реологии. Моделирование реологических свойств тел. Модель Максвелла, модель Кельвина-Фойгта, модель Бингама.

Классификация дисперсных систем по структурно-механическим свойствам. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Псевдопластические и дилатантные жидкости и твердообразные тела. Вязкость жидких агрегативно устойчивых дисперсных систем. Уравнения Эйнштейна, Штаудингера, Марка-Куна-Хаувинка. Реологические свойства структурированных жидкообразных и твердообразных систем.

 

Разделы курса для самостоятельного изучения

Коллоидные свойства ВМС и их растворов

Природные и синтетические ВМС. Строение макромолекул и их свойства. Гибкость молекул линейных полимеров и их наиболее вероятная форма в растворах. Набухание и растворение ВМС. Ограниченное и неограниченное набухание. Степень и скорость набухания. Влияние различных факторов на набухание. Полиэлектролиты. Термодинамика растворения ВМС. Влияние природы ВМС и растворителя на состояние макромолекул в растворе. Ассоциаты молекул. Возможность микрогетерогенности в растворах ВМС. Дисперсии ВМС. Применение в качестве стабилизатора дисперсных систем.

Системы с жидкой дисперсионной средой

Суспензии, их полидисперсность. Стабилизация суспензий в водных и органических средах. Осаждение, фильтрация суспензий и использование коагулянтов, флокулянтов и ПАВ. Технические суспензии и пасты минеральных и органических веществ. Эмульсии, их классификация. Стабилизация эмульсий ПАВ, ВМС и порошками. Обращение фаз эмульсий. Определение типа эмульсий. Разрушение эмульсий. Деэмульгаторы. Эмульсии в природе, технике и химической технологии.

Пены, их стабилизация и разрушение. Интенсификация процессов, протекающих в пенообразных системах. Пенная флотация.

Системы с газообразной дисперсионной средой

Аэрозоли: дымы, пыли, туманы. Получение, свойства и способы разрушения аэрозолей. Факторы стабилизации аэрозолей. Физические основы улавливания аэрозолей на фильтрах. Порошки, их текучесть, склонность к коагуляции. Физико-химические основы переработки порошков.

Системы с твердой дисперсионной средой

Факторы стабилизации в системах с твердой дисперсионной средой. Высокопористые материалы – адсорбенты и катализаторы. Пенопласты, пенобетон, пеностекло. Наполненные и закристаллизованные стекла и эмали. Наполненные полимеры. Металлические сплавы.

Коллоидно-химические основы охраны природной среды.

Литература

1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М.: Альянс, 2004.

2. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 2004.

3. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. СПб.: Химия, 1995.

4. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. –М.: Химия. 1975.

5. Шелудко А. Коллоидная химия. –М.: Мир. 1984.

 

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

ПРОГРАММА КУРСА
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ
ПРАКТИКУМ
ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ
ТЕСТИРОВАНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

 

 

© Кафедра коллоидной химии РХТУ им. Д.И. Менделеева
Разработка Лаборатория НМИ ВО, 2005, Щербаков Д.В.