ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Основные цели дисциплины - подготовка специалистов, обладающих фундаментальными знаниями в области физической и коллоидной химии, практическими навыками решения задач в области физической и коллоидной химии.

Задачи дисциплины – научить студентов:

– основным закономерностям, определяющим направление химических процессов и скорость их протекания;

– алгоритму расчета энергетических эффектов химических реакций;

– взаимосвязи природы факторов и уровня их воздействия на стабилизацию дисперсных систем (объектов коллоидной химии).

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате изучения дисциплины «Физическая и коллоидная химия» студент должен:

· знать:

– фундаментальные законы: химической термодинамики, химического и фазового равновесия, фазовых превращений, электрохимии, химической кинетики и катализа;

– основные закономерности адсорбции, поверхностных явлений; электрокинетических и молекулярно-кинетических явлений; оптических явлений в растворах и дисперсных системах; структурообразования в дисперсных системах, реологии, основополагающие физико-химические свойства высокомолекулярных соединений и растворов, коллоидных поверхностно-активных веществ;

– величины характеризующие: энергетический баланс системы, возможность осуществления процесса, равновесие и фазовые переходы, скорость реакции, адсорбцию, электропроводность, электродные потенциалы и электродвижущие силы, устойчивость дисперсных систем, структурообразование, кинетику набухания полимеров и разрушения дисперсных систем;

– понятия: потенциал термодинамический, электродный, электрокинетический, константа равновесия, константа скорости реакции, адсорбция, опалесценция, стабилизация дисперсных систем, структурообразование в дисперсных системах;

· уметь:

– обосновывать технико-химические требования к ведению технологического процесса контроля полупродуктов и готового продукта;

– выполнять предварительные расчеты для определения критериев контроля за ходом процессов, согласовывать параметры процесса с характеристиками сырья и продукта, оценивать погрешность проводимых им измерений, оценивать границы применимости используемых им в лабораторных работах методов измерения физико-химических констант;

– владеть методиками: расчета и экспериментального определения теплоты растворения неорганических солей в воде, теплоты химической реакции, константы скорости реакции и константы диссоциации слабого электролита, энергии активации, электродвижущих сил, изотерм адсорбции, реологических кривых, размеров частиц дисперсных систем, порога коагуляции, критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ, константы скорости набухания полимера, молекулярной массы полимера;

– владеть методиками получения: коллоидных растворов, разбавленных эмульсий, пен;

· получить навыки:

– построения по экспериментальным данным изотерм адсорбции, реологических кривых, экспериментального определения размеров частиц дисперсных систем, порога коагуляции.

ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ. УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

Раздел 1. Физическая химия

Введение

Предмет физической химии. Основные этапы развития физической химии. Место физической химии в ряду естественных наук, ее роль в пищевых технологиях. Предмет коллоидной химии. Основные задачи и направления коллоидной химии как науки о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Значение коллоидной химии для технолога-пищевика.

Тема 1. Основы химической термодинамики

Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия, теплота и работа. Теплоты процессов при постоянном объеме и давлении. Энтальпия. Закон Гесса. Следствия из закона Гесса. Теплоты образования и сгорания. Стандартные теплоты. Зависимость теплового эффекта от температуры. Уравнения Кирхгофа. Второе начало термодинамики, его математическое выражение. Энтропия. Статистическое истолкование понятия энтропии. Связь энтропии с термодинамической вероятностью. Применение второго начала термодинамики и изобарно - (изохорно-) изотермическим процессам. Энергия Гиббса, энергия Гельмгольца. Определение направления процесса и условий равновесия.

Практическое занятие 1:

Решение задач по теме «Первое и второе начало термодинамики, закон Гесса, вычисление тепловых эффектов реакции».

Практическое занятие 2:

Решение задач по теме «Уравнения Кирхгофа, Энергия Гиббса, энергия Гельмгольца. Определение направления процесса и условий равновесия».

Лабораторное занятие:

Определение теплового эффекта растворения.

Тема 2. Термодинамика химического равновесия

Химическое равновесие. Константы равновесия и способы их выражения. Константы равновесия гетерогенных реакций. Уравнение изотермы химической реакции. Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнение изобары и изохоры химической реакции.

Практическое занятие:

Решение задач по теме «Расчет константы равновесия, принцип Ле-Шателье».

Лабораторное занятие:

Исследование химического равновесия.

Тема 3. Фазовое равновесие и учение о растворах

Условия термодинамического равновесия между фазами. Понятие фаза, число компонентов, число степеней свободы. Правило фаз Гиббса. Однокомпонентные системы. Диаграммы состояния воды. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса, вывод и интегрирование. Двухкомпонентные системы. Общая характеристика растворов. Идеальные растворы. Закон Рауля. Отклонения от закона Рауля. Осмотическое давление растворов неэлектролитов. Термодинамика растворов. Диаграмма давление-состав. Фазовая диа­грамма кипения. Первый закон Коновалова. Перегонка и ректификация. Азеотропные смеси. Второй закон Коновалова. Ограниченная взаимная растворимость жидкостей. Влияние температуры на растворимость. Несмешивающиеся жидкости. Перегонка водяным паром. Распределение третьего компонента между двумя растворителями. Растворы газов в жидкости. Термический анализ. Диаграммы плавкости (сплавы) и кривые охлаждения. Виды диаграмм плавкости.

Практическое занятие 1:

Решение задач по теме «Фазовое равновесие однокомпонентных систем».

Практическое занятие 2:

Решение задач по теме «Разбавленные растворы».

Лабораторное занятие:

Приготовление буферных растворов.

Тема 4. Химическая кинетика и катализ

Скорость химической реакции. Кинетическое уравнение. Порядок реакции. Реакция нулевого, первого, второго и третьего порядка. Методы определения порядка реакции. Молекулярность элементарного акта. Причины несовпадения молекулярности и порядка реак­ции. Зависимость скорости реакции от температуры. Уравнение Аррениуса. Экспериментальное определение энергии активации. Сложные реакции: обратимые, параллельные, последовательные. Сопряженные реакции. Цепные реакции: неразветвленные и разветвленные. Стадии цепных реакций. Роль радикалов. Фотохимические реакции. Квантовый выход. Теории элементарного акта химической реакции: теория активных соударений в теории активированного комплекса. Стадии гомогенного и гетерогенного катализа. Влияние катализатора на энергию активации. Изменение энергии при гомогенном и гетерогенном катализе. Отрицательный катализ и автокатализ.

Практическое занятие 1:

Решение задач по теме «Формальная кинетика».

Практическое занятие 2:

Решение задач по теме «Зависимость скорости реакции от температуры».

Лабораторное занятие:

Определение константы скорости реакции.

Тема 5. Электрохимия

Растворы электролитов. Теория электролитической диссоциации Аррениуса. Основные положения теории сильных электролитов Дебая и Хюккеля. Активность, коэффициент активности. Зависимость коэффициента активности от ионной силы. Электропроводимость растворов. Удельная и эквивалентная электропроводимость, их зависимость от концентрации. Закон независимого движения ионов. Подвижность ионов. Практическое применение метода электропроводности. Осмотическое давление растворов электролитов. Электродные процессы. Гальванические элементы. Возникновение потенциала на границе раздела фаз. Строение двойного электрического слоя. Уравнение Нернста для электродного потенциала. Гальванический элемент. Уравнение Нернста для электродвижущей силы (ЭДС) элемента Якоби. Электроды 1-го, 2-го рода, редокс - электроды. Стандартный потенциал. Типы гальванических элемен­тов: химические и концентрационные. Практическое использование метода потенциометрии.

Практическое занятие 1:

Решение задач по теме «Электрическая проводимость. Равновесие в растворах электролитов».

Практическое занятие 2:

Решение задач по теме «Электродвижущие силы. Электродные потенциалы».

Лабораторное занятие:

Освоение потенциометрических методов исследования растворов электролитов.

Раздел 2. Коллоидная химия

Тема 6. Основные понятия физикохимии дисперсных систем и способы их получения

Основные особенности коллоидного состояния. Дисперсные системы. Дисперсная фаза и дисперсионная среда. Классификация дисперсных систем по дисперсности (грубодисперсные, коллоидные и молекулярно-дисперсные), агрегатному состоянию и характеру взаимодействия частиц со средой (лиофильные и лиофобные). Методы получения коллоидных систем. Физические и химические методы конденсации и диспергирования. Очистка коллоидных систем. Диализ, электродиализ и ультрафильтрация.

Лабораторное занятие:

Изучение способов получения и свойства гидрофобных золей (коллоидных растворов).

Тема 7. Поверхностные явления и адсорбция

Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Адгезия и когезия. Работа адгезии и когезии. Смачивание. Краевой угол смачивания. Адсорбция на границе твердое тело - газ. Изотерма адсорбции. Уравнение Фрейндлиха. Теория мономолекулярной адсорбции. Уравнение Лэнгмюра и его анализ. Адсорбция на границе твердое тело - раствор. Типы адсорбентов. Адсорбция на границе раствор-газ. Поверхностно-активные и инактивные вещества. Уравнение Гиббса. Правило Траубе. Уравнение Шишковского. Строение монослоев. Адсорбционное понижение твердости.

Практическое занятие 1:

Решение задач по теме «Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение».

Практическое занятие 2:

Решение задач по теме «Адсорбция».

Лабораторное занятие:

Изучение адсорбции водных растворов уксусной кислоты на поверхности активированного угля методом титрования.

Тема 8. Коллоидное состояние

Кинетические свойства коллоидных систем. Броуновское движение. Диффузия в коллоидных системах. Закон Фика, уравнение Эйнштейна. Кинетическая устойчивость коллоидных систем, седиментация. Седиментационное равновесие, уравнение Лапласа. Седиментационный анализ. Определение размеров частиц. Оптические свойства коллоидных систем. Эффект Тиндаля. Дифракционное рассеяние света. Формула Рэлея. Нефелометрия. Ультрамикроскопия. Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциалы протекания и седиментации. Двойной электрический слой на границе раздела фаз: модели Гельмгольца-Перрена, Гуи-Чепмена, Штерна. Электрокинетический потенциал. Скорость электрофоретического переноса (уравнение Гельмгольца-Смолуховского).

Практическое занятие 1:

Решение задач по теме «Оптические свойства коллоидных систем», «Электрокинетические явления».

Практическое занятие 2:

Решение задач по теме «Кинетические свойства коллоидных систем, седиментационный анализ».

Лабораторное занятие:

Проведение седиментационного анализа суспензий.

Тема 9. Стабилизация и коагуляция дисперсных систем

Агрегативная устойчивость коллоидных систем. Строение коллоидной мицеллы. Коагуляция. Закономерности коагуляции лиофобных коллоидных систем электролитами. Коагулирующее действие ионов. Порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди и лиотропные ряды. Коагуляция смесью электролитов. Кинетика быстрой и медленной коагуляции по Смолуховскому. Зависимость скорости коагуляции от концентрации электролита. Взаимная коагуляция золей.

Практическое занятие:

Решение задач по теме «Агрегативная устойчивость коллоидных систем. Коагуляция».

Лабораторное занятие:

Исследование закономерностей коагуляции дисперсных систем.

Тема 10. Структурно-механические свойства дисперсных систем

Основные понятия и идеальные законы реологии. Моделирование реологических свойств тел. Классификация дисперсных систем по структурно-механическим свойствам. Структурообразование в дисперсных системах. Вязкость и упруго-пластические свойства дисперсных систем. Структурная вязкость. Гели. Тиксотропия.

Практическое занятие:

Решение задач по теме «Вязкость. Реологические свойства дисперсных систем».

Лабораторное занятие:

Измерение вязкости жидкости капиллярным вискозиметром.

Тема 11. Высокомолекулярные соединения

Высокомолекулярные соединения, особенности строения их молекул. Растворы высокомолекулярных соединений. Растворение полимеров. Сольватация молекул. Ассоциация молекул в растворах полимеров. Методы определения молекулярной массы. Набухание. Степень. Кинетика набухания. Давление набухания. Студни.

Практическое занятие:

Решение задач по теме «Растворы полимеров, кинетика набухания полимеров».

Лабораторное занятие:

Определение молекулярной массы полимеров вискозиметрическим методом.

Тема 12. Коллоидные поверхностно-активные вещества

Факторы, влияющие на критическую концентрацию мицеллообразования (ККМ). Строение мицелл мыла. Солюбилизация. Моющее действие мыл. Методы определения ККМ.

Тема 13. Микрогетерогенные системы

Эмульсии. Классификация. Стабилизация эмульсий. Разрушение эмульсий. Пены, их стабилизация и разрушение. Пены и эмульсии в пищевой технологии. Суспензии, их стабилизация. Аэрозоли. Получение, свойства и способы разрушения. Взрывы пыли. Порошки их текучесть. Их значение в мукомольной промышленности.

Практическое занятие:

Решение задач по теме «Эмульсии, пены».

Лабораторное занятие 1:

Приготовление и изучение свойств эмульсий.

Лабораторное занятие 2:

Изучение свойств пены.

ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТА

Самостоятельная работа студентов по дисциплине включает:

– самостоятельное изучение теоретических разделов дисциплины по заданию лектора повторение и углубленное изучение лекционного материала;

– решение практических задач и подготовка к практическим занятиям;

– подготовка к лабораторным работам, проведение расчетов и построение графиков к лабораторным работам;

– подготовку к зачету.

ФОРМЫ И ВИДЫ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

1. Текущий контроль:

- опрос на практических занятиях;

- отчет по результатам выполнения лабораторных работ;

- рубежный контроль.

2. Промежуточная аттестация – зачетно-экзаменационная сессия:

- зачет – по результатам проведения всех форм текущего контроля в соответствии с учебным планом.

3. Контроль остаточных знаний студентов (тесты).

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная:

1. Ипполитов, Е. Г. Физическая химия : учебник / Е. Г. Ипполитов, А. В. Артемов, В. В. Батраков ; под ред. Е. Г. Ипполитова. - М. : Академия, 2006.

2. Сумм, Б. Д. Основы коллоидной химии : учебник / Б. Д. Сумм. - М. : Академия, 2006.

Дополнительная:

1. Евстратова, К. И. Физическая и коллоидная химия : учебник / К. И. Евстратова, Н. А. Купина, Е. Е. Малахова. - М. : Высшая школа, 1990.

2. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. А. А. Равделя, А. М. Пономарёвой. – СПб. : Специальная литература, 2002.

3. Кругляков, П. М. Физическая и коллоидная химия : учеб. пособие / П. М. Кругляков. - М. : Высшая школа, 2005.

4. Фролов, Ю. Г. Физическая химия : учебник / Ю. Г. Фролов, В. В. Белик. - М. : Высшая школа, 1993.

Периодические издания:

1. Физическая химия : журнал.

2. Коллоидный журнал.

МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Лабораторные работы проводятся в специализированном лабораторном классе «Химии», оснащенным следующим оборудованием:

– рН-метром;

– фотоколориметром;

– упрощенным калориметр сосудом Дьюара;

– капиллярным вискозиметром;

– микроскопом;

– прибором П.А. Ребиндера для измерения поверхностного натяжения;

– термостатом, водяными банями, бюретками для титрования, стеклянной посудой, штативами;

– весами аналитическими, весами техническими;

– прибором для изучения набухания полимера;

– реактивами.

ИННОВАЦИИ В ПРЕПОДАВАНИИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Демонстрация автоколебательной реакции Белоусова-Жаботинского.

Составители: к.х.н. доц. О. А. Черемисина, д.х.н. проф. Я. В. Зачиняев кафедры «Экспертиза товаров и технология общественного питания».

Рецензент: к.т.н., доц. кафедры «Экспертиза товаров и технология общественного питания» Г.А. Успенская.