ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
"Коллоидная химия"
для студентов геологических факультетов

Специальность: 011300 - Геохимия и для группы "геоэкология"

Объем курса 24 час.

ВВЕДЕНИЕ

Определение коллоидной химии - науки, изучающей свойства веществ, находящихся в дисперсном состоянии; ее основные объекты, задачи и направления. Роль поверхностных явлений в дисперсных системах. Классификация дисперсных систем по размерам частиц (дисперсности), агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, структуре, интенсивности молекулярных взаимодействий на границе раздела дисперсная фаза/дисперсионная среда. Дисперсное состояние вещества как общее состояние материи. Изменение физико-химических свойств веществ при переходе макрофазы в дисперсное состояние. Роль коллоидно-химических процессов в решении экологических проблем.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ФАЗ

Причины возникновения избытка свободной энергии на поверхности раздела жидкость/газ, ее силовое поле. Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение) как характеристика этого поля. Связь поверхностного натяжения с энергией межмолекулярного взаимодействия в конденсированной фазе; энергия когезии. Удельная свободная поверхностная энергия твердых тел. Энергия поверхности раздела двух конденсированных фаз: жидкость/жидкость; твердое тело/жидкость; твердое тело/твердое тело; энергия адгезии; энергия границ зерен в минералах и горных породах.

Смачивание. Краевой угол. Уравнение Юнга. Гидрофильные и гидрофобные поверхности. Условия смачивания и растекания. Соотношение между работой когезии и адгезии при смачивании и растекании. Избирательное смачивание. Особенности смачивания поликристаллических твердых тел; условие Гиббса-Смита; проникновение жидкой фазы по границам зерен поликристаллических материалов.

Капиллярные явления. Закон Лапласа и его следствия. Течение жидкой фазы по капиллярам, порам, микротрещинам как одна из форм массопереноса в природных условиях. Зависимость давления насыщенного пара и растворимости от кривизны поверхности раздела контактирующих фаз. Закон Томсона-Кельвина.

Основные методы измерения поверхностного натяжения на разных границах раздела фаз.

Роль процессов изотермической перегонки в образовании вторичных рудных месторождений. Повышенная растворимость веществ, находящихся в дисперсном состоянии как фактор, усугубляющий загрязнение окружающей среды.

ОБРАЗОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Изменение свободной энергии (энергии Гельмгольца) при образовании дисперсных систем. Конденсационные (физические и химические) способы образования лиофобных дисперсных систем. Основные представления об образовании и росте зародышей новой фазы. Диспергационные способы образования лиофобных дисперсных систем.

Лиофильные дисперсные системы. Критерий Ребиндера-Щукина (образования лиофильных дисперсных систем). Дисперсии бентонитовых глин как промежуточные между лиофильными и лиофобными системами.

Образование дисперсных систем в естественных условиях и в результате антропогенных воздействий: образование аэрозолей при извержении вулканов и выбросах в атмосферу с различных предприятий, образование золей и суспензий при выветривании горных пород. Стоки промышленных предприятий как примеры дисперсных систем, загрязняющих окружающую среду.

АДСОРБЦИЯ НА РАЗЛИЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ РАЗДЕЛА ФАЗ

Влияние растворенного компонента на величину удельной свободной поверхностной энергии на границе раздела водный раствор/воздух. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), их химическая природа; зависимость поверхностного натяжения от концентрации водных растворов ПАВ. Уравнение Шишковского. Поверхностно-инактивные вещества.

Адсорбция ПАВ на поверхности раздела водный раствор ПАВ/воздух, уравнение Гиббса, поверхностная активность ПАВ, правило Дюкло-Траубе. Понятие о двухмерном состоянии вещества в поверхностном слое. Зависимость строения адсорбционного слоя от концентрации ПАВ в растворе.

Мицеллобразование в растворах ПАВ. Солюбилизация в растворах мицеллообразующих ПАВ. ПАВ - как основной компонент синтетических моющих средств (СМС). Биоразлагаемость ПАВ.

Адсорбция ПАВ из растворов на твердой поверхности. Понятие о физической адсорбции и хемосорбции. Теория Ленгмюра. Правило уравнивания полярностей по Ребиндеру. Влияние адсорбционых слоев ПАВ на смачивание; гидрофилизация и гидрофобизация поверхностей. Коллоидно-химические способы повышения эффективности извлечения ценных компонентов из пород; понятие о флотации. Поверхностно-активные вещества как источник загрязнения почв и природных вод.

Изменение поверхностного натяжения на границе раздела твердое тело-жидкая фаза. Относительность понятия "поверхностно-активное вещество". Эффект адсорбционного понижения прочности - эффект Ребиндера. Возможные формы проявления этого эффекта в природных условиях: уменьшение прочности, пластичности; диспергирование горных пород под влиянием флюидов.

Адсорбция ионов неорганических электролитов на поверхности раздела твердое тело-раствор. Образование и строение двойного электрического слоя (теории Гельмгольца, Гуи-Чепмена, Штерна); зависимость потенциала от расстояния от твердой поверхности, электрокинетический потенциал.

СВОЙСТВА ЗОЛЕЙ И СУСПЕНЗИЙ И ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ

Строение мицелл гидрофобных золей. Коллоидная частица. Влияние индифферентных и неиндифферентных электролитов на величину и знак заряда коллоидных частиц. Ионный обмен в почвах и других природных дисперсных системах. Обменная емкость различных пород.

Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциалы протекания и оседания. Процессы миграции в дисперсных системах. Коллоидная частица - как одна из основных форм геохимической миграции - неразрывного комплекса процессов, приводящих к перераспределению химических элементов в природных телах. Техногенная миграция.

Методы измерения электрокинетического потенциала. Практическое значение электрокинетических явлений и использование их для разведки полезных ископаемых, осушения грунтов и т.д.

Устойчивость лиофобных дисперсных систем. Седиментационная устойчивость. Седиментация суспензий. Седиментационно-диффузионное равновесие в дисперсных системах.

Броуновское движение. Диффузия в коллоидных системах. Уравнение Эйнштейна.

Понятие об аэрозолях. Агрегативная и седиментационная устойчивость аэрозолей.

Устойчивость лиофобных дисперсных систем. Агрегативная устойчивость дисперсных систем. Коагуляция гидрофобных золей электролитами. Правило Шульце-Гарди. Обратимость коагуляции. Пептизация. Пептизация в природных дисперсных системах.

Общие представления о современной теории устойчивости дисперсных систем (теория ДЛФО). Факторы, определяющие агрегативную устойчивость дисперсных систем. Структурно-механический барьер по Ребиндеру. Коагуляция коллоидных растворов в естественных условиях. Концентрирование химических элементов на физико-химических барьерах. Техногенные геохимические аномалии.

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные структуры. Условия их образования. Природа контактов между элементами структуры. Механические свойства коагуляционных и кристаллизационных структур. Тиксотропные системы. Роль тиксотропии в природных и технологических процессах.

КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Методы разрушения дисперсных систем (коагуляция, коалесценция, флокуляция, механические методы). Разрушение аэрозолей. Очистка сточных вод от поверхностно-активных веществ, от токсичных веществ; использование процессов адсорбции, ионного обмена, коагуляции для этой цели.

Предотвращение выветривания отвалов, содержащих токсичные химические элементы; создание искусственных техногенных геохимических барьеров.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

Малахова А.Я. Физическая и коллоидная химия. М.: Высш. шк.,1981.

Хмельницкий Р.А. Физическая и коллоидная химия. М.: Высш. шк., 1988.

Зимон Д.А., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. М.: Химия, 1995.

Дополнительная

Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1995.

Перельман А.И. Геохимия. М.: Высш. шк., 1979г.

Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. М.: Мир, 1997.

Чухров Ф.В. Коллоиды в земной коре. Изд. АН СССР.1955.

Программу составила:
Н.И. Иванова, доц.
(Московский государственный университет)