Примерная Программа
дисциплины
"Коллоидная химия"
для студентов факультетов почвоведения

Специальность: 013000 - Почвоведение

Предисловие

Курс коллоидной химии знакомит студентов с основами современного учения о дисперсном состоянии вещества и поверхностных явлениях в дисперсных системах. Цель курса - дать четкое представление о фундаментальных основах этой обширной области химической науки и их применении в почвоведении.

Преимущественное внимание уделяется тем разделам коллоидной химии, которые наиболее важны для понимания природы процессов в почвенных системах и освоение которых необходимо для подготовки квалифицированных специалистов в области почвоведения.

К основным вопросам, затрагиваемым в данном курсе относятся: свойства поверхности раздела фаз и поверхностные явления; капиллярные эффекты; пути и условия образования дисперсных систем, их молекулярно-кинетические, оптические и электрические свойства; устойчивость и разрушение дисперсных систем; развитие в них пространственных дисперсных структур со своеобразными реологическими свойствами; управление свойствами дисперсных систем; коллоидно-химические основы охраны окружающей среды. Универсальность дисперсного состояния и поверхностных явлений, составляющих предмет изучения коллоидной химии, определяет ее важную роль в прогрессе естественных наук и многочисленных технологий. В курсе отражено приложение коллоидно-химических закономерностей к анализу процессов, имеющих место при образовании, функционировании и обработке почв. Это обеспечивает тот фундамент знаний, который необходим для успешного освоения студентами факультета почвоведения специальных дисциплин.

Введение

Определение, основные понятия, задачи и направления коллоидной химии.
Классификация дисперсных систем. Характеристика дисперсности.
Значение коллоидной химии для различных отраслей науки, техники и сельского хозяйства.

Броуновское движение. Диффузия в коллоидных системах; уравнение Эйнштейна.
Седиментация в дисперсных системах. Седиментационно-диффузионное равновесие.
Рассеяние света в коллоидных системах. Закон Релея; условия его применимости.
Методы определения дисперсного состава. Седиментационный анализ суспензий. Нефелометрия. Ультрамикроскопия и электронная микроскопия коллоидных систем.

Поверхность раздела фаз. Молекулярные взаимодействия в объеме фаз и на межфазной поверхности. Поверхностные силы. Поверхностная энергия. Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное и межфазное натяжение). Работа когезии, работа адгезии.

Явления смачивания и капиллярности. Краевой угол смачивания. Уравнение Юнга. Термодинамическое условие смачивания, несмачивания, растекания. Избирательное смачивание; гидрофильные (олеофобные) и гидрофобные (олеофильные) поверхности. Капиллярное давление. Закон Лапласа. Капиллярное поднятие. Капиллярная стягивающая сила жидких менисков. Влияние кривизны поверхности раздела фаз на давление насыщенного пара и растворимость твердых частиц. Закон Томсона (Кельвина). Изотермическая перегонка вещества: собирательная рекристаллизация, капиллярная конденсация. Роль смачивания и капиллярных явлений в почвенных системах.

Методы измерения поверхностного натяжения и размеров пор в пористых системах.

Адсорбция как самопроизвольное сгущение на поверхности раздела фаз массы компонента. Термодинамика адсорбции. Адсорбционное уравнение Гиббса.

Поверхностно-активные (ПАВ) и поверхностно-инактивные вещества. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации раствора. Поверхностная активность. Уравнение Шишковского. Высокомолекулярные ПАВ - полиэлектролиты. Поверхностно-активные вещества в почвах.

Изотерма мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. Адсорбционная активность. Физическая и химическая адсорбция.

Двухмерное состояние вещества в адсорбционном слое. Строение адсорбционных слоев. Молекулярная адсорбция из растворов на твердой поверхности. Правило уравнивания полярностей (по Ребиндеру). Влияние адсорбционных слоев ПАВ на смачивание и адгезию; гидрофилизация и гидрофобизация поверхностей.

Адсорбционные методы определения удельной поверхности адсорбентов.

Адсорбция ионов на твердой поверхности. Двойной электрический слой (ДЭС); его строение. Влияние электролитов на строение ДЭС. Лиотропные ряды.

Обменная адсорбция. Ионно-обменный комплекс. Катиониты и аниониты. Ионный обмен в полиэлектролитах. Ионный обмен в почвах и его влияние на агрохимические и агрофизические свойства почв.

Образование свободнодисперсных систем при диспергировании макрофаз и дезагрегации связнодисперсных систем (пептизация). Условия самопроизвольного протекания этих процессов. Лиофобные и лиофильные коллоидные системы. Роль диспергирования в процессах образования и эрозии почв.

Растворы высокомолекулярных соединений; их сходство и различие с коллоидными системами.

Конденсационное образование дисперсных систем. Основные представления о гомогенном и гетерогенном образовании зародышей новой фазы при фазовых переходах. Самопроизвольная ассоциация молекул ПАВ в растворах (мицеллообразование). Строение мицелл лиофильных коллоидных систем. Солюбилизация.

Процессы конденсации и коллоидные растворы в почвенных системах.

Электрокинетические явления: электроосмос, электрофорез, потенциалы протекания и седиментации. Уравнение Гельмгольца-Смолуховского для скорости электроосмоса (электрофореза).

Электрокинетический (z - ) потенциал. Строение мицелл лиофобных золей. Влияние индифферентных и неиндифферентных электролитов на z -потенциал и заряд коллоидных частиц. Изоэлектрическое состояние; перезарядка частиц.

Поверхностная проводимость. Электропроводность связнодисперсных (пористых) систем.

Использование электроповерхностных свойств дисперсных систем для изучения и мелиорации почв.

Агрегативная и седиментационная устойчивость. Механизмы нарушения агрегативной устойчивости: коагуляция, коалесценция, изотермическая перегонка вещества.

Факторы агрегативной устойчивости. Расклинивающее давление (по Дерягину); молекулярная, электростатическая и структурная составляющие расклинивающего давления. Свойства тонких пленок жидкости. Структурно-механический барьер (по Ребиндеру) как фактор сильной стабилизации.

Флокуляция. Полиэлектролиты как флокулянты и стабилизаторы.

Коагуляция золей электролитами. Правило Шульце-Гарди. Критерий Эйлерса-Корфа. Пептизация под действием электролитов. Зоны устойчивости и коагуляции при перезарядке коллоидных частиц.

Основы современной теории коагуляции золей электролитами (теория ДЛФО).

Роль коагуляции в процессах почвообразования и регулирования агрофизических свойств почв.

Представление о физико-химической механике - важном разделе современной коллоидной химии.

Структурирование в дисперсных системах. Типы дисперсных структур; их прочность; природа сил сцепления в контактах между частицами. Тиксотропные свойства коагуляционных структур.

Дисперсные структуры в почвенных системах.

Способы описания механического поведения систем. Реологические модели; упругое, вязкое, пластическое, вязко-пластическое поведение. Уравнение Ньютона. Уравнение Бингама; предельное напряжение сдвига.

Реологические свойства дисперсных систем. Уравнение Эйнштейна, причины аномалии вязкости дисперсных систем. Полная реологическая кривая дисперсной системы с коагуляционной структурой.

Управление структурообразованием и механическими свойствами дисперсных структур и материалов.

Влияние адсорбционно-активной среды на прочность твердых тел и дисперсных структур - эффект Ребиндера; роль этого эффекта в процессах образования и эрозии почв.

Использование коагуляции, флокуляции и седиментации для очистки гидросферы (воды) от коллоидных частиц. Удаление из воды растворенных токсичных загрязнений (органических и неорганических) с помощью адсорбции, ионного обмена, солюбилизации, пенной сепарации. Регулирование смачивания с помощью ПАВ при тушении торфяных пожаров.

Использование электрофильтров для улавливания вредных аэрозольных частиц.

Объем курса - 54 часа, в том числе 18 час. лекций, 36 час. практикума, совмещенного с семинарами и коллоквиумами.

Лабораторные работы и семинары

1. Адсорбция из растворов и определение удельной поверхности адсорбентов на основе измерения поверхностного натяжения водных растворов ПАВ.
2. Влияние адсорбционных слоев ПАВ на смачивание твердых поверхностей.
3. Седиментационный анализ суспензий.
4. Определение размера частиц золей методом нефелометрии.
5. Определение заряда частиц золя и электрокинетического потенциала методом электрофореза.
6. Коагуляция лиофобных золей электролитами.
7. Исследование агрегативной устойчивости суспензий гидрофильных порошков в различных средах и их стабилизация с помощью ПАВ.
8. Кристаллизационное структурообразование в дисперсных системах.
9. Влияние электролитов на процесс нестационарной фильтрации глинистых дисперсий.
10. Реологические свойства глинистых суспензий и концентрированных растворов высокомолекулярных соединений (вискозиметрия).

1. Свойства границы раздела фаз. Явления смачивания и капиллярности. Роль этих явлений в почвах.
2. Адсорбция из растворов. Значение адсорбции для почвенных систем.
3. Электроповерхностные свойства дисперсных систем. Ионный обмен. Их значение для почв.
4. Образование дисперсных систем. Лиофобные и лиофильные коллоидные системы.
5. Устойчивость, разрушение и стабилизация лиофобных дисперсных систем. Процессы коагуляции и пептизации в почвах.
6. Структурообразование и реологические свойства дисперсных систем. Структурообразование в почвенных системах.

1. Поверхностные явления.
2. Образование и устойчивость дисперсных систем.
3. Структурообразование и реологические свойства дисперсных систем.

Литература

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.

Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии: Учебник. М.: Химия, 1975.

Методические разработки к практикуму по коллоидной химии. Составитель и редактор Е.А.Амелина. М.: МГУ, Химфак, 1994.

Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. /Под ред. Ю.Г.Фролова, А.С.Градского. М.: Химия, 1986.

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

Кузнецов В.В., Усть-Качкинцев В.Ф. Физическая и коллоидная химия. Учебник. М.: Высш. шк., 1976.

Программу составила:
Е.А.Амелина, доц.
(Московский государственный университет)