Совет по химии
Учебно-методического объединения по классическому университетскому образованию.
Примерная программа
"Химия поверхности и наночастиц"
Введение
Предмет курса, основные объекты и разделы,
фундаментальные аспекты и практические
приложения. Дисперсное состояние вещества.
Классификация дисперсных систем по размерности,
агрегатному состоянию и микроструктуре.
Наноразмерные системы. Основные характеристики
наночастиц и дисперсных систем. Размерный
эффект.
1. Основы термодинамики поверхностных
явлений
Избыточные термодинамические функции.
Поверхностное натяжение и свободная энергия
поверхностей раздела фаз. Температурная
зависимость поверхностного натяжения жидкости и
критическая температура вещества (по
Менделееву). Связь поверхностного натяжения с
объемными свойствами веществ. Термодинамическое
уравнение Гиббса для поверхности раздела фаз в
однокомпонентных системах. Состав поверхности,
сегрегация в приповерхностных слоях.
Поверхностная энергия твердых тел.
2. Капиллярные явления
Капиллярное давление, закон Лапласа.
Зависимость давления пара и растворимости от
кривизны поверхности; законы Кельвина и
Гиббса-Оствальда. Изотермическая перегонка в
дисперсных системах.
Смачивание. Закон Юнга. Гидрофильность и
гидрофобность твердых тел.
3. Поверхностно-активные вещества (пав) -
регуляторы свойств
дисперсных систем
Адсорбция ПАВ на поверхности жидкости.
Термодинамическое уравнение адсорбции
ПАВ (Гиббс). Связь адсорбции со строением
молекул ПАВ. Гидрофильно-липофильный баланс.
Классификация ПАВ по молекулярному строению и по
механизму их действия.
Нерастворимые ПАВ. Двухмерное состояние
вещества; уравнение состояния.
Адсорбция ПАВ на поверхности раздела
несмешивающихся жидкостей. Правило уравнивания
полярностей (Ребиндер). Адсорбция ПАВ из
растворов на поверхности твердых тел.
Модифицирующее действие ПАВ - гидрофилизация и
гидрофобизация.
4. Синтез дисперсных систем
Физические методы синтеза:
Высокоэнергетические пучки, плазма: ионы,
лазерное излучение, магнетрон.
Молекулярно-лучевая эпитаксия. Механохимия.
Химические методы: золь-гель, CVD,
крио-технология. Темплатный синтез.
5. Электроповерхностные явления
Двойной электрический слой (ДЭС) -
образование, строение. Электроповерхностные
явления, электрокапиллярность.
Электрокинетические явления (электрофорез,
электроосмос). Электрокинетический потенциал.
Изоэлектрическое состояние в дисперсных
системах.
Зонная диаграмма твердых тел вблизи
поверхности. Обедненный слой. Транспорт
носителей заряда через поверхности раздела.
Гетероструктуры. Нанокомпозиты.
6. Химическое модифицирование
поверхности твердых тел
Особенности поверхностных свойств твердых тел
различной химической природы. Влияние
химического состояния поверхности на физические
и химические свойства твердых тел. Кремнезем как
модельный носитель.
Методы модифицирования поверхности:
физическое (легирование, ионная имплантация,
нанесение тонких пленок и покрытий) и химическое
(изменение функционального покрова)
модифицирование.
Химическое модифицирование поверхности.
Требования к модификаторам. Якорная группа и
стабильность поверхностно-модифицированных
материалов. Привитый слой - важнейший элемент
химически модифицированного материала. Строение
привитых слоев. Распределение привитых молекул в
слое. Двумерность, макромолекулярность и
полифункциональность привитого слоя. Взаимное
влияние привитых молекул.
Химическое модифицирование
гидроксилированных носителей
металлорганическими соединениями - путь
синтеза гетерогенных металлокомплексных
катализаторов.
Применение поверхностно-модифицированных
материалов: селективные сорбенты, катализаторы,
ионообменники, сенсоры, наполнители пластмасс,
стабилизаторы и т. д.
7. Устойчивость дисперсных систем
Седиментационная устойчивость. Диффузия
дисперсных частиц. Зависимость коэффициента
диффузии от размера частиц.
Седиментационно-диффузионное равновесие в поле
силы тяжести и в центробежном поле.
Агрегативная устойчивость дисперсных систем
(коллоидных растворов, эмульсий, пен). Основные
методы регулирования устойчивости. Принцип
структурно-механической
стабилизации (Ребиндер). Особенности
устойчивости нанодисперсных систем.
8. Cтроение и химические свойства
наночастиц
Образование кластеров молекул. Фрактальные и
плотноупакованные кластеры. Типы химических
реакций с участием кластеров. Подходы к
квантово-химическому описанию кластеров.
Зарождение и рост наночастиц в гомогенной
среде и на поверхности твердого тела.
Кооперативные явления в коллективе наночастиц;
оствальдово созревание, агрегирование и
агломерация. Коллоидные кристаллы.
Методы получения наночастиц. Получение с
помощью молекулярных пучков, конденсации пара и
термолиза. Плазменно-химический метод.
Механохимический синтез. Синтез в пористых
средах, микроэмульсиях и мицеллах.
Химические реакции наночастиц. Кинетика
топохимических реакций в коллективе наночастиц.
Явления в области контакта наночастиц твердых
реагентов. Механизм термолиза наночастиц.
Взаимодействие наночастиц с макромолекулами и
полимерными средами. Взаимодействие углеродных
нанотрубок с газами. Механохимические реакции в
коллективе наночастиц.
9. Методы анализа поверхности и
наночастиц
Особенности анализа высокодисперсных систем,
локальность. Физико-химическая диагностика
наночастиц. Принципы морфологической
характеризации наночастиц методами электронной,
автоионной, туннельной и атомно-силовой
микроскопии. Строение наночастиц различной
природы (фазовые, мицеллярные, везикулы).
Определение состава и структуры отдельной
наночастицы; электронная микроскопия высокого
разрешения, электронно-зондовые методы анализа.
Методы колебательной спектроскопии. Методы с
использованием синхротронного излучения.
Эллипсометрия.
10. Прикладная химия наночастиц
Наночастицы как ингредиенты функциональных
материалов; нанокомпозиты и наноблочные
конструкционные материалы. Магнитные материалы,
ячейки памяти. Термоэлектрические
преобразователи. Оптоэлектрические
преобразователи.
Принципы использования наночастиц в медицине.
Наночастицы как полютанты и мигранты в
окружающей среде. Химия атмосферных наночастиц.
Катализаторы и сорбенты на основе
ультрадисперсных веществ: специфика их
получения и функционирования.
ЛИТЕРАТУРА
Щукин Е.Д., Перцов А.В.,Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высш.шк., 1992.
Ребиндер П. А. Поверхностные явления в
дисперсных системах. М.: Наука. 1979.
Адамсон А. Физическая химия поверхностей.
М.: Мир. 1979
Петров Ю. И. Физика малых частиц. М.:
Наука. 1982.
Гусев А. И. Нанокристаллические
материалы. Екатеринбург. 1998
Модифицированные кремнеземы в сорбции,
катализе и хроматографии. /Под ред. Г.В.Лисичкина.
М.: Химия. 1986.
Алесковский В. Б. Химия твердых веществ.
М.: Высш. шк. 1978.
Волькенштейн Ф.Ф. Электронные процессы на
поверхности полупроводников при хемосорбции.
Зенгуил Э. Физика поверхности. М.: Мир. 1990.
Робертс М., Макки Ч. Химия поверхности
металл-газ. М.: Мир. 1981.
Бехштедт Ф., Эндерлайн Р. Поверхности и
границы раздела полупроводников. М.: Мир. 1990.
Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы
исследования поверхности. М.: Мир. 1989.
Программу составили:
Б. Д. Сумм, проф.;
Н. И. Иванова, доц.;
А. М. Гаськов, проф.;
И. В. Мелихов,чл.-корр. РАН, проф.
(Московский государственный университет)
