02.00.11 – коллоидная химия и физико-химическая механика

Специальность
Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 7 июня 2007 г. № 108
 

1. Общие методические рекомендации

Программа-минимум по специальности «Коллоидная химия и физико-химическая механика» направлена на углубленное изучение соискателями уче­ной степени основополагающих принципов этой науки - физико-химических свойств и поверхностных явлений в гетерогенных дисперсных системах, их ус­тойчивости, процессов адсорбции и взаимодействия на границах раздела фаз, а также закономерностей и механизма структурообразования, реологических и структурно-механических свойств дисперсных систем.

Цель программы «Коллоидная химия и физико-химическая механика» - обеспечение фундаментальной подготовки специалистов в области теоре­тических основ коллоидной химии, формирование научных представлений и умений, позволяющих после присвоения им квалификации успешно осуще­ствлять активную профессиональную деятельность.

Экзаменующийся должен показать высокий уровень теоретической и профессиональной подготовки, знание общих концепций и методологиче­ских вопросов коллоидной химии, историю формирования этой отрасли нау­ки и развития, глубокое понимание основных разделов коллоидной химии, а также умение применять свои знания для решения исследовательских и при­кладных задач.

I. Определение, основные понятия коллоидной химии

  • Современная коллоидная химия как физико-химия дисперсных систем и поверхностных явлений. Предмет изучения, задачи исследования, методы коллоидной химии. Особенности и универсальность дисперсного со­стояния вещества. Роль поверхностных явлений в дисперсных системах. Применение правила фаз к дисперсным системам.

  • Значение коллоидной химии в технике как общей научной осно­вы оптимизации и интенсификации гетерогенных химико-технологических процессов, протекающих с участием дисперсных фаз.

II. Термодинамика поверхностных явлений

  • Методы термодинамики поверхностных явлений: метод избы­точных величин Гиббса и метод слоев конечной толщины, сгущение термо­динамических функций в поверхностном слое. Поверхностная энергия, по­верхностное натяжение, молекулярное давление, их связь с другими характе­ристиками межатомного взаимодействия. Свободная поверхностная энергия, специфика ее проявления на разных межфазных границах, эксперименталь­ные и теоретические способы оценки.

  • Термодинамические условия смачивания и растекания на твер­дых и жидких поверхностях, избирательное смачивание. Смачивание реаль­ных твердых поверхностей, гистерезис смачивания.

  • Основы теории капиллярности. Капиллярное давление. Зависи­мость давления насыщенного пара и растворимости от кривизны поверхно­сти раздела сосуществующих фаз. Самопроизвольные процессы изотермиче­ской перегонки, собирательной рекристаллизации, капиллярной конденсации пара в узких порах адсорбента. Роль капиллярных явлений в промышленно­сти и агротехнике.

III. Адсорбция, свойства адсорбционных слоев

  • Термодинамика адсорбционных процессов. Уравнение адсорбции Гиббса. Поверхностная активность. Поверхностно активные и поверхностно инактивные вещества.

  • Адсорбция газа на твердой поверхности. Силовое поле поверхно­сти, роль природы и структуры поверхности. Энергия и энтропия адсорбции. Физическая адсорбция, хемосорбция.

  • Мономолекулярная адсорбция. Изотерма Лэнгмюра, главные до­пущения. Полимолекулярная адсорбция. Теория Поляни. Теория адсорбции паров Брунауэра, Эммета, Теллера, измерение удельной поверхности и энер­гии адсорбции. Адсорбция паров в порах адсорбентов. Основы хроматогра­фии.

  • Адсорбция из растворов на границе жидкость - газ. Уравнение Шишковского, связь с уравнением изтермы Лангмюра. Адсорбция органиче­ских ПАВ из водных растворов, правило Дюкло-Траубе.

  • Двухмерное состояние вещества в адсорбционном слое. Слои ма­лорастворимых ПАВ на жидких поверхностях. Двухмерное (поверхностное) давление. Уравнение двухмерного состояния вещества. Строение адсорбци­онных слоев и определение молекулярных констант органических низко-и высокомолекулярных ПАВ.

  • Особенности адсорбции молекул ПАВ на границах раздела двух конденсированных фаз. Правило уравнения полярностей Ребиндера. Влияние адсорбционных слоев ПАВ на смачивание и адгезию. Управление избира­тельным смачиванием, гидрофилизация и гидрофобизация поверхностей. Смазывающее действие ориентированных адсорбционных слоев.

  • Классификация ПАВ по молекулярному строению и механизму действия.

  • Адсорбция электролитов на твердом адсорбенте. Избирательная и обменная адсорбция. Ионообменники. Обменная адсорбция в почвах.

IV. Электроповерхностные явления в дисперсных системах

  • Электрокапиллярные явления. Уравнение Липпмана. Вляиние поверхностно-активных веществ на электрокапиллярную кривую. Двойной электрический слой на границе раздела фаз. Представление о строении двой­ного электрического слоя.

  • Электрокинетические явления. Уравнение Гельмгольца-Смолуховского. Электрокинетический и электрохимический потенциалы, влияние на них электролитов. Поверхностная проводимость, изменение чи­сел переноса в диафрагмах и мембранах. Равновесие Даннана. Мембранный потенциал.

  • Практическое приложение электрокинетических явлений.

V. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем

  • Универсальность молекулярно-кинетических свойств растворов и дисперсных систем. Броуновское движение. Теория броуновского движения по Эйнштейну-Смолуховскому, флуктуации концентрации в коллоидных растворах.

  • Диффузия в коллоидных системах. Закон Фика. Уравнение Эйн­штейна. Осмотические явления в коллоидных системах, их роль в биологиче­ских процессах. Седиментация в дисперсных системах. Седиментационный анализ. Седиментационно-диффузионное равновесие Перрена-Больцмана. Научно-философское значение исследований молекулярно-кинетических свойств дисперсных систем, доказательство реальности молекул и их тепло­вого движения.

VI. Оптические свойства коллоидных систем

  • Рассеяние и поляризация света в коллоидных системах. Закон Ре-лея и условия его применимости. Индикатриссы светорассеяния поляризо­ванного и неполяризованного света. Основы теории Дебая. Поглощение све­та в дисперсных системах. Окраска коллоидов. Двойное лучепреломление в коллоидных системах. Применение оптических методов к исследованию дисперсных систем.

VII. Образование и устойчивость дисперсных систем

  • Конденсационные методы получения дисперсных систем. Теория образования новой дисперсной фазы по Гиббсу-Фольмеру. Гомогенное и ге­терогенное зародышеобразование. Роль заряда в гомогенном образовании частиц аэрозоля. Кинетика роста зародыша новой фазы. Пути управления дисперсностью при конденсационном образовании новых фаз.

  • Процессы диспергирования. Образование аэрозолей, эмульсий и пен при диспергировании. Разрушение и диспергирование твердых тел. Связь прочности с поверхностной энергией, уравнение Гриффитса. Адсорбционное облегчение разрушения и деформации твердых тел (эффект Ребиндера). Са­мопроизвольное образование лиофильных коллоидных систем. Критерий са­мопроизвольного диспергирования.

VIII. Устойчивость лиофобных дисперсных систем

  • Седиментационная и агрегативная устойчивость дисперсных сис­тем. Нарушение агрегативной устойчивости, протекание самопроизвольных процессов коагуляции, коалесценции. Уменьшение дисперсности вследствие рекристаллизации и изотермической перегонки.

  • Факторы агрегативной устойчивости лиофобных дисперсных систем. Эффект Марангони-Гиббса. Структурно- механический барьер по Ребиндеру. Стабилизующее действие двойных диффузных слоев ионов, электр^о-етатистическая составляющая расклинивающего давления по Деря-гину.

  • Коагуляция гидрофобных золей электролитами. Зависимость скорости коагуляции от концентрации электролитов. Кинетика быстрой и медленной коагуляции по Смолуховскому. Современная теория коагуляции лиофобных золей электролитами (теория Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека). Правило Шульце-Гарди. Критерий Эйлерса-Корфа. Пептизация. Периодические структуры.

  • Строение и устойчивость пен и эмульсий. Пленки как элемент пен и эмульсий, кинетика их утоныпения и устойчивость. Черные "перренов-ские" пленки.

  • Устойчивость и свойства аэрозолей.

IX. Лиофильные коллоидные системы

  • Термодинамическая устойчивость (рановмерность) микрогетеро­генных дисперсных систем с низким значением межфазной энергии, крите­рий устойчивости лиофильных коллоидных систем по Ренбиндеру-Щукину. Критические эмульсии и туманы.

  • Мыла и высокомолекулярные соединения, способные образовы­вать лиофильные коллоидные системы. Гидрофобные взаимодействия в сис­теме мыло-вода. Критическая концентрация мицеллообразования, термоди­намика мицелообразования. Растворение углеводородов (солюбилизация) в мицеллах мыл и глобулярных белках.

X. Структурообразование, реологические и структурно-механические свойства дисперсных систем

  • Развитие пространственных структур в дисперсных системах. Кристаллизационно-конденсационные и коагуляционные структуры. Приро­да контактов между элементами структуры. Образование кристаллизацион-но-конденсационных дисперсных структур при выделении и срастании час­тиц новой фазы. Твердение минеральных вяжущих. Образование и строение гелей.

  • Реологические свойства дисперсных систем. Уравнение Ньютона и Эйнштейна, причины аномалии вязкости дисперсных систем. Природа уп­ругости (высокоэластичности) дисперсных систем. Понятие о релаксации на­пряжений и упругом последействии. Полная реологическая кривая, предел ползучести, предел текучести, предельное напряжение сдвига. Тиксотропия.

  • Понятие о физико-химической механике как научная основа управления сцеплением частиц в различных дисперсных системах ( по Ре-биндеру). Использование оптимального сочетания механических воздейст­вий и физико-химических явлений на межфазных границах в процессах по­лучения, обработки и эксплуатации твердых тел и материалов.

Литература

  1. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. 3-е изд. под ре. М.П.Сидоровой. Л.Химия. 1995.

  2. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М. 1982.

  3. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. 2-е изд. М. 1989.

  4. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. 2-е изд. перераб. и доп. М. Химия. 1976.

  5. Ребиндер П. А. Избранные труды. Поверхностные явления в дис­персных системах. Коллоидная химия. М. Наука. 1978

  6. Комаров B.C. Адсорбенты. Вопросы синтеза, теории и структуры. Минск. Белорусская наука. 1997.

  7. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М. 1985.

  8. Русанов А.И. Мицеллобразование в растворах поверхностно- активных веществ. Химия. Санкт-Петербург. 1992. 

Дополнительная литература

  1. Сумм Б.Д., Иванова Н.И. Объекты и методы коллоидной химии в нанохимии. Успехи химии. Изд.РАН т. 69. №11. 2000 г.

  2. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачива­ния и растекания. М. Химия. 1976.

  3. Григоров О.Н. Электрокинетические явления. Л. ЛГУ. 1973.

  4. Зонта Г.Р., Штренге К. Коагуляция и устойчивость дисперсных систем. М. Химия. 1973.

  5. Абрамзон А.А., Зайченко Л.П., Файнголд СИ. Поверхностно-активные вещества (синтез, анализ, свойства, применение). Учебное пособие для ВУЗов. Л.Химия. 1988.

  6. Шинода К, Накачава Т, Тамасурн Б. Коллоидные поверхностно-активные вещества. М. Мир. 1966.

  7. Физико-химическая механика природных дисперсных систем. М. 1985.

  8. Физико-химическая механика дисперсных минералов. Под общ. ред. Н.Н.Круглиц-кого. Киев. Наукова думка. 1974.

  9. Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов.М. 1988.

  10. Тихомиров В.К. Пены.М. Химия. 1975.

  11. Сумм Б.Д., Измайлова В.Н.Поверхностные явления в белковых системах. М. Химия. 1988.

  12. Мицеллобразование, солюбилизация и микроэмульсии. Под ред. К.Миттела. М. Мир. 1980.