ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
"КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ"
для студентов биологических факультетов

Специальность: 012200 - Биофизика.

Объем курса 18 часов.

ВВЕДЕНИЕ

Основные направления современной коллоидной химии - науки, изучающей условия возникновения, особые свойства, устойчивость дисперсных систем и поверхностные явления в таких системах. Роль дисперсного состояния вещества в живой природе и в различных отраслях современной техники.

Классификация дисперсных систем по интенсивности межфазных молекулярных взаимодействий, размерам частиц дисперсной фазы, агрегатному состоянию фаз и способности образовывать дисперсные структуры. Характерные особенности лиофильных и лиофобных коллоидных систем, сходство и различие между ними, а также растворами и дисперсиями высокомолекулярных соединений. Биоколлоиды.

Конденсационные и диспергационные методы получения коллоидных систем. Очистка коллоидных систем: диализ, электродиализ, ультрафильтрация.

Коллоидно-химические аспекты современных биофизических, биологических проблем и медицины, охрана окружающей среды.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗДЕЛА ФАЗ

Поверхность раздела фаз; ее силовое поле. Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение) как характеристика этого поля; молекулярное (внутреннее) давление. Основы термодинамики поверхностных явлений по Гиббсу. Влияние температуры на величину поверхностного натяжения в чистых однокомпонентных жидкостях на границе с собственным паром. Критическая температура по Менделееву.

Межфазное натяжение на границе раздела насыщенных растворов двух взаимно-ограниченно растворимых жидкостей; правило Антонова. Свободная поверхностная энергия твердых тел, специфика ее проявления.

Явления капиллярности и смачивания. Термодинамические условия смачивания и растекания (полного смачивания) на твердых и жидких поверхностях. Количественные характеристики смачивания: краевой угол, теплота смачивания, работа адгезии. Избирательное смачивание. Лио-(гидро-)фильные и лио-(гидро-)фобные поверхности. Роль явлений смачивания в живой природе. Капиллярное давление. Первый закон Лапласа. Зависимость давления насыщенного пара и растворимости от кривизны поверхности раздела сосуществующих фаз (закон Томсона (Кельвина)). Самопроизвольные процессы собирательной рекристаллизации, изотермической перегонки вещества, капиллярной конденсации. Роль капиллярных явлений в биологии и агротехнике.

Методы измерения поверхностного натяжения на легкоподвижных границах раздела фаз. Экспериментальное и теоретическое определение поверхностной энергии твердых тел.

АДСОРБЦИОННЫЕ СЛОИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Адсорбция из растворов на поверхности раздела фаз. Адсорбционное уравнение Гиббса. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества на разных межфазных границах. Правило уравнивания полярностей Ребиндера.

Зависимость поверхностного натяжения от концентрации раствора ПАВ; поверхностная активность. Уравнение Шишковского. Специфика поверхностной активности природных поверхностно-активных веществ - био-ПАВ (белков, ферментов, липидов, гликолипидов, липополипептидов и т.д.).

Изотерма мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. Связь уравнения Ленгмюра и Шишковского. Адсорбционная активность ПАВ. Работа адсорбции, зависимость ее от природы растворенных веществ, растворителя, структуры поверхности раздела, определяемой молекулярной природой соприкасающихся фаз. Гидрофобные взаимодействия. Движущие силы адсорбции ПАВ из водных и неводных растворов. Теоретическое обоснование правила Дюкло-Траубе.

Двумерное состояние вещества в адсорбционном слое. Слои малорастворимых ПАВ на поверхности воды. Весы Ленгмюра. Двумерное (поверхностное) давление. Уравнение двумерного состояния. Строение адсорбционных слоев; определение молекулярных констант органических ПАВ. Адсорбционные методы определения удельной поверхности адсорбентов.

Ленгмюровские пленки как модели организованных структур. Специфика двумерного состояния биополимеров.

Изотерма двумерного давления биологически-активных веществ (ферменты, белки, липиды, жирные кислоты, желчные соли, лекарственные вещества).

Лиофобизация и лиофилизация твердых поверхностей. Влияние адсорбционных слоев ПАВ на смачивание, растекание, адгезию. Роль природных ПАВ в биотехнологии.

Органические поверхностно-активные вещества (ПАВ), их классификация по молекулярому строению (анион-, катионактивные, амфолитные, неионогенные, низко-, высокомолекулярные) и по механизму действия (смачиватели, диспергаторы, стабилизаторы, моющие вещества). Представление о гидрофильно-липофильном балансе молекул ПАВ. Проблема биоразлагаемости ПАВ.

ЛИОФИЛЬНЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Лиофильные коллоидные системы - термодинамически стабильные ультрамикрогетерогенные дисперсные системы. Критерий Ребиндера-Щукина самопроизвольного диспергирования объемных фаз.

Мыла и ВМС, способные образовывать лиофильные коллоидные системы. Самопроизвольное диспергирование кристаллов мыл и полимеров в растворителях. Диаграмма Крафта. Самопроизвольная ассоциация молекул ПАВ в растворах. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), методы ее определения. Строение мицелл в лиозолях ионогенных и неионогенных ПАВ.

Основы термодинамики мицеллообразования в водных и неводных средах. Роль гидрофобных взаимодействий при образовании гидрозолей ПАВ и глобулизации белков в водной среде. Понятие о везикулах (липосомах).

Физико-химическое обоснование причин переходов от изотропных лиозолей мыл к пространственному структурообразованию при повышенных пересыщениях в лиофильной дисперсной системе (влияние концентрации, температуры, модифицирующих добавок). Жидкокристаллические состояния (мезоморфные фазы); коацерваты.

Солюбилизация - растворение олеофильных веществ в мицеллах мыл и глобулярных белках; термодинамика этого процесса; микроэмульсии. Роль гидрофобных взаимодействий в процессе обмена и переноса липидных веществ в организме. Внутримицеллярная растворимость воды в неводных системах ПАВ. Фермент - субстратные взаимодействия как пример биогетерогенного процесса.

Солюбилизация в технологических процессах и биологических системах (эмульсионная полимеризация, моющее действие, мицеллярный катализ, производство "растворимых масел", жидких лекарственных композиций).

Роль поверхностно-активных коллоидов - мицеллярных "растворов" солей жирных кислот в процессе ассимиляции жиров организмом.

Коллоидно-химические основы применения ПАВ в медицине при получении заменителей крови (на основе тонкодисперсных эмульсий перфторсоединений), при направленном переносе лекарств в липосомах; при микрокапсулировании жидкостей и жирорастворимых витаминов.

Моделирование ферментативного катализа in vivo путем изучения ферментативной активности солюбилизированных белков в обращенных мицеллах ПАВ in vitro.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциалы седиментации и протекания.

Современные представления о структуре двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Электрокинетический потенциал. Двойной электрический слой частиц лиофобных золей (мицелл), белков и полиэлектролитов. Влияние индифферентных и неиндифферентных электролитов и специфической адсорбции на электрокинетический потенциал. Перезарядка поверхности. Изоэлектрическое и изоионное состояние.

Методы изучения электрокинетических явлений и измерения электрокинетического потенциала. Уравнение Гельмгольца-Смолуховского.

УСТОЙЧИВОСТЬ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Агрегативная и седиментационная устойчивость дисперсных систем. Нарушение агрегативной устойчивости вследствие протекания самопроизвольных процессов коагуляции, коалесценции, изотермической перегонки.

Расклинивающее давление по Дерягину. Межмолекулярные взаимодействия в дисперсных системах; молекулярная составляющая расклинивающего давления. Электростатическая составляющая расклинивающего давления.

Форма агрегативной устойчивости лиофобных дисперсных систем. Эффект Марангони-Гиббса (эффективная упругость адсорбционных слоев) как фактор стабилизации пленок, пен, эмульсий. Стабилизирующее действие двойных диффузных слоев ионов. Структурно-механический барьер по Ребиндеру как фактор сильной стабилизации.

Коагуляция лиофобных золей электролитами: основы теории Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека. Правило Шульце-Гарди. Зоны устойчивости при перезарядке коллоидных частиц. Пептизация. Взаимная коагуляция золей. Флокуляция золей полиэлектролитами. Высаливание белков при добавлении электролитов. Явление коацервации, его роль в биологических процессах.

Эмульсии, их классификация и методы получения. Стабилизация эмульсий; обращение фаз.

Пены, методы получения, устойчивость. Пленки как элемент пен и эмульсий. Устойчивость "черных" пленок. Двусторонние пленки белков и липидов.

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ, РЕОЛОГИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Развитие пространственных структур в дисперсных системах. Типы дисперсных структур. Природа контактов между элементами структуры; прочность дисперсной структуры. Образование кристаллизационно-коагуляционных дисперсных структур при выделении и срастании частиц новой фазы.

Дисперсные структуры, формирующиеся в растворах высокомолекулярных соединений. Образование и строение гелей белков (на примере перехода желатин-коллаген). Конформационные превращения в процессе структурообразования и роста новой фазы в лиофильных дисперсных системах. Явление синерезиса и набухания. Коллоидные свойства протоплазмы.

Фазоразделение био-ПАВ на границах раздела. Формирование прочных двумерных структур. Белок-липидные структуры-модели биомембран.

Способы описания структурно-механических свойств дисперсных систем. Реологические модели: упругость, вязкость, пластичность. Уравнение Ньютона. Понятие о релаксации напряжения и упругом последействии; вязко-пластическое поведение, уравнение Бингама.

Реологические свойства дисперсных систем. Уравнение Эйнштейна; причины аномалии вязкости дисперсных систем, эффективная вязкость. Полная реологическая кривая дисперсной системы с коагуляционной структурой. Тиксотропные свойства коагуляционных структур; роль тиксотропии в живой природе и технологических процессах. Реологические особенности структур биополимеров в объеме и на границах раздела фаз. Реология крови.

КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Способы очистки гидросферы (воды) от коллоидных загрязнений (коагуляция, флокуляция, фильтрование и ультрафильтрация, центрифугирование).

Очистка воды от поверхностно-активных и различных токсичных водорастворимых загрязнений (пенная сепарация, адсорбция, ионный обмен, введение аморфизованных зародышей кристаллизации, солюбилизация).

ЛИТЕРАТУРА

Основная

Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. Учебник. М.: Высш. шк., 1992.

Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Учебник. Л.: Химия, 1995.

Захарченко В.Н. Коллоидная химия. Учебник. М.: Высш. шк., 1989.

Дополнительная

Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979.

Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Учебник. М.: Химия, 1989.

Измайлова В.Н., Ямпольская Г.П., Сумм Б.Д. Поверхностные явления в белковых системах. М.: Химия, 1988.

Программу составили:
З.Н.Маркина, доц.;
Л.И.Лопатина, доц.
(Московский государственный университет)