Сайт находится в стадии наполнения   

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНЫХ РАЗДЕЛОВ И ТЕМ

ВСЕ ПРОГРАММЫ /

ФИЗИКО-ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМХарактеристика и цель программы / Планируемые результаты обучения / Учебный план программы / Календарный учебный график программы / Рабочая программа учебных разделов и тем / Формы аттестации, оценочные материалы / Организационно-педагогические условия

ТЕМЫ И СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИЙ

Раздел 1. Поверхностные явления
Тема 1.1 Коллоидное состояние вещества, роль поверхности
Коллоидное состояние вещества. Дисперсная фаза и дисперсионная среда. Размер частиц и удельная поверхность дисперсной фазы. Топологические типы гетерогенных систем. Уникальные свойства коллоидного состояния: универсальность, консерватизм физических свойств дисперсной фазы, термодинамическая неустойчивость, функциональность поверхности, чувствительность к присутствию третьего компонента. Агрегативная устойчивость, коагуляция, структурирование. Массовая и объемная доля дисперсной фазы гетерогенной системы. Защитные оболочки, толщина оболочек и эффективная доля дисперсной фазы. Стесненность, максимальная концентрация дисперсной фазы.

Тема 1.2 Поверхность, как геометрическое понятие, ее функции и свойства
Адсорбция. Мономолекулярная адсорбция газа. Теория Ленгмюра. Предельная адсорбция и активные центры. Константа адсорбционного равновесия, ее зависимость от сродства сорбата к поверхности (работы адсорбции).
Полимолекулярная адсорбция газа. Адсорбционный потенциал поверхности и ее характеристическая кривая. Распространение этих характеристик взаимодействия компонентов раствора с поверхностью твердых веществ.
Поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение как следствия межмолекулярных взаимодействий. Его связь с химической природой вещества. Межфазное натяжение, правило Антонова, зависимость натяжения от температуры.

Тема 1.3 Поверхностно-активные вещества

Поверхностное натяжение растворов. Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Адсорбция компонентов раствора на границе с газовой фазой. Молекулярный механизм. Знак адсорбции и ее связь с химической природой компонентов раствора. Правило адсорбции Гиббса. Дифильность молекул ПАВ. Уравнение Шишковского. Поверхностная активность. Правило Траубе.
Неадекватность геометрических представлений о границе раздела фаз с точки зрения природы поверхностных свойств и явлений.

Тема 1.4 Поверхностный слой и термодинамика поверхности
Поверхностный слой. Реальная и гипотетическая гетерогенная система. Содержание компонента в той и другой, поверхностный избыток компонента. Адсорбция как основная термодинамическая характеристика многокомпонентной гетерогенной системы. Разделяющая и эквимолекулярная поверхность гетерогенной системы. Относительная адсорбция компонента.
Структура поверхностного слоя, анизотропия его свойств и механический смысл поверхностного натяжения как работы деформации, пропорциональной приращению межфазной поверхности. Формула Баккера, локальное натяжение, неавтономность отдельных частей поверхностного слоя.
Свободная энергия реальной и гипотетической гетерогенной системы. Уравнение Гиббса-Гельмгольца для поверхностного слоя. Адсорбционное уравнение и уравнение изотермы адсорбции Гиббса. Анализ уравнения Гиббса. Применение уравнения Шишковского. Предельная адсорбция. Полное и избыточное содержание ПАВ в поверхностном слое.
Прямые измерения взаимосвязи адсорбции и натяжения. Давление и уравнение состояния двухмерной фазы. Механизм действия ПАВ.
Мицеллярные растворы ПАВ, критическая концентрация мицеллообразования. Солюбилизация.
Поверхностная активность в неводных средах.

Тема 1.5 Капиллярные явления
Поведение капли жидкости на поверхности твердого вещества и жидкости. Растекание и собирание капли. Условие равновесия. Краевой угол смачивания – основная доступная прямым измерениям характеристика взаимодействия жидкости с поверхностью твердого вещества. Адгезия и когезия.
Полное смачивание и неограниченное растекание. Неприменимость понятий "угол смачивания" и "адгезия" к анализу этого явления.
Капиллярное поднятие. Капиллярное давление, формула Лапласа. Капиллярное давление свободной капли жидкости и газового пузырька в жидкости.
Условие термодинамического равновесия при наличии искривленных межфазных границ. Зависимость свойств дисперсной фазы от размера частиц. Формула Томсона (Кельвина) для упругости пара над искривленной поверхностью. Капиллярная конденсация и равновесная влажность дисперсных материалов. Изотермическая перегонка как проявление термодинамической неустойчивости высокодисперсных систем.

Тема 1.6. Адсорбция из растворов на поверхности твердых веществ

Определяющая роль взаимодействия растворителя с адсорбентом. Молекулярная, ионная и ионообменные адсорбции.
Молекулярная адсорбция ПАВ из растворов. Правила адсорбции и ориентации дифильных молекул в адсорбционном слое. Физическая и химическая адсорбция, гидрофилизация и гидрофобизация поверхности адсорбционным слоем. Полимолекулярная адсорбция.

Раздел 2. Двойной слой и устойчивость коллоидов

Тема 2.1 Пленки
Понятие "пленка". Параметры состояния пленки: толщина, натяжение, расклинивающее давление и связь между ними. Равновесные и неравновесные пленки.
Потенциальная энергия взаимодействия границ пленки. Природа сил расклинивающего давления пленок. Устойчивость пленок. Термодинамический предел миниатюризации изделий электроники.

Тема 2.2 Образование двойного электрического слоя (ДЭС)

Избирательная адсорбция ионов на поверхности малорастворимых солей. Потенциалопределяющие и индифферентные ионы. Правило избирательной адсорбции. Потенциалопределяющие ионы по отношению к оксидам и гидроксидам.
Внутренняя и внешняя части ДЭС, его электронейтральность. Обмен ионов во внешней части двойного слоя. Правила ионообменной адсорбции.
Потенциал поверхности и толщина – основные характеристики двойного слоя. Теория диффузного ДЭС, уравнение Пуассона-Больцмана, его общее и частное решение. Эффективная толщина двойного слоя.
Заряд, толщина и потенциал поверхности. Электрическая емкость ДЭС. Сопоставление с опытом. Учет размера ионов в теории двойного слоя. Плотная и диффузная части двойного слоя. Потенциал плотного слоя и электрокинетический потенциал. Влияние ионного состава среды на параметры двойного слоя: толщину, электрокинетический потенциал, на потенциал и заряд поверхности. Сопоставление с опытом и направления дальнейшего развития теории двойного электрического слоя.
Поверхностное натяжение заряженной поверхности. Электрокапиллярные явления. Уравнение Гиббса-Липпмана.

Тема 2.3 Расклинивающее давление пленок
Утоньшение пленки при постоянстве заряда и при постоянстве потенциала границ пленки. Граничные условия общего решения уравнения Пуассона-Больцмана для тонкой пленки при постоянстве потенциала. Распределение потенциала в пленке. Напряженность поля на границе пленки, и ее заряд. Энергия электростатического расклинивающего давления двойного слоя.
Отталкивание адсорбционных слоев ПАВ. Энтропийная и структурная составляющие. Стерическая составляющая расклинивающего давления.
Молекулярное притяжение границ пленки. Метод Гамакера, теория Лифшица. Роль электромагнитного запаздывания.

Тема 2.4 Агрегативная устойчивость дисперсных систем
Понятие устойчивости, агрегативная и седиментационная устойчивость.
Основная концепция теории устойчивости Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО) – аддитивность сил взаимодействия частиц различной природы и определяющая роль соотношения энергии молекулярного притяжения и электростатического отталкивания частиц.
Взаимодействие сферических частиц, переход Дерягина.
Энергия электростатического отталкивания слабо заряженных частиц при произвольном расстоянии между ними и при умеренно большом расстоянии (экспоненциальная форма зависимости). Энергия отталкивания при произвольном потенциале поверхности.
Молекулярное притяжение сферических частиц без запаздывания. Точное решение задачи Гамакера для сфер.
Зависимость критериев устойчивости от характера взаимодействия частиц. Размер частиц, как фактор, определяющий тип их взаимодействия. Определяющая роль потенциальной энергии взаимодействия частиц (потенциальной функции) для частиц малого (броуновского) размера, взаимодействующих путем столкновений.
Суммарный потенциал молекулярно-электростатического взаимодействия частиц. Его представление и анализ с помощью потенциальных кривых. Экстремумы потенциальной кривой как основные критерии поведения частиц дисперсной системы. Влияние концентрации электролита на вид потенциальных кривых. Условия устойчивости дисперсной системы. Условия медленной коагуляции. Условия обратимой неконтактной коагуляции. Условие быстрой необратимой коагуляции и критическая концентрация электролита.
Экстремумы силы взаимодействия частиц (силовой функции), как критерий устойчивости суспензий.
Несовпадение положений межфазной границы и плоскости локализации поверхностного заряда и вызываемое этим изменение соотношения сил отталкивания и притяжения. Критерий лиофильности в рамках теории ДЛФО.

Раздел 3. Дисперсные системы

Тема 3.1 Молекулярно-кинетические явления
Регулярное и хаотичное движение частиц. Меры интенсивности различных видов движения: скорость, средняя кинетическая энергия теплового движения и средне квадратичное смещение.
Оседание под действием силы тяжести. Формула Стокса. Седиментационный анализ.
Оседание в стесненных условиях, влияние встречных потоков среды на скорость оседания частиц и скорость накопления осадка. Уплотнение осадков.
Средне квадратичное смещение частиц при их тепловом движении, формула Смолуховского. Диффузия – макроскопическое проявление теплового движения. Закон Фика и коэффициент диффузии. Формула Эйнштейна.
Сопоставимость интенсивностей регулярного и хаотичного движения в коллоидных растворах. Седиментационно-диффузионное равновесие и распределение Больцмана. Его нормирование. Условие образование осадка. Распределение дисперсной фазы между осадком и взвесью.
Электрокинетические явления. Электрофорез и электроосмос. Обратные явления. Соотношение взаимности Онзагера. Потенциал оседания и потенциал протекания. Мембранное равновесие, мембранный потенциал, потенциал тонкой пленки полиэлектролита. Суспензионный эффект.

Тема 3.2 Кинетика коагуляции и фазовые превращения

Уравнения Смолуховского и их решение в монодисперсном приближении. Средняя масса флокул и средний размер фрактальной флокулы , как функция времени. Скорость оседания флокул. Факторы, лимитирующие процесс коагуляции: структурирование и расслоение взвеси. Кинетика оседания взвеси и накопления осадка коагулята. Распределение дисперсной фазы по высоте по завершению процесса коагуляции, осадок, структурированная взвесь и слой жидкости. Кинетика гравитационного уплотнения осадка и слоя структурированной взвеси. Равновесное распределение дисперсного компонента суспензии.
Уравнения кинетики коагуляции полидисперсной системы и влияние гравитационной сепарации флокул по размерам на кинетику коагуляции, структурирования и уплотнения взвеси. Уравнения эволюции коагулирующей взвеси и ее численное моделирование.

Тема 3.3 Феноменологическая реология

Деформационные свойства материалов, их роль в технологии. Деформация сдвига, напряжение деформации, скорость деформации. Течение. Твердые и жидкие вещества. Уравнения реологии. Закон Гука и закон внутреннего трения Ньютона. Фундаментальные характеристики деформационных свойств материалов, модуль упругости и вязкость. Условность деления материалов на твердые и жидкие. Реологически простые и сложные материалы. Вязкоупругость и пластичность. Механические эквиваленты реологически сложных материалов. Уравнения реологии вязкоупругих и пластичных материалов. Время вязкоупругой релаксации. Пластическая вязкость и предельное напряжение сдвига. Нелинейно пластическое и псевдопластическое поведение материалов. Неньютоновские жидкости. Тиксотропия, полная реологическая кривая течения и вязкости тиксотропных систем. Дилатансия, реологические кривые дилатантной деформации.

Тема 3.4 Основы теоретической реологии
Течение неоднородного материала. Средняя и локальная скорость сдвига, дополнительные потери энергии на обтекание средой неоднородностей. Диссипативная функция. Формула Эйнштейна.
Вращение частиц дисперсной фазы в сдвиговом потоке среды. Влияние заторможенности вращения на вязкость. Уравнение Шлиомиса. Постулат Ребиндера.
Структура, ориентационное структурирование, количественная характеристика структурированности. Воздействие потока на состояние структуры. Тиксотропия. Уравнение структурного состояния – количественное выражение тиксотропности дисперсных систем. Намагниченность суспензии однодоменных частиц как количественная мера ориентационного структурирования и состояния этой структуры в потоке. Уменьшение вязкости в переменном магнитом поле. Диссипативные структуры.
Уравнения Эйнштейна для концентрированных устойчивых дисперсных систем и реологические свойства реальных концентрированных суспензий. Их неньютоновость.
Периодическая коллоидная структура (ПКС) и теория Френкеля-Эйринга. Энергия активации вязкого течения. Сопоставление с опытом, причины несоответствия теории и опыта. Структурные характеристики реальных ПКС, влияние концентрации дефектов структуры на скорость течения. Уравнение структурного состояния в потоке и реологическое уравнение течения ПКС. Природа дилатансии. Смешанное тиксотропно-дилатантное поведение. Шликерное литье. Универсальное уравнение для минимума вязкости щликера.
Цепочечная структура как простейший вид коагуляционных структур. Гидродинамически (тиксотропно) равновесный размер цепей, уравнение структурного состояния и реологическое уравнение цепочечной структуры. Природа пластического течения и предельного напряжения сдвига. Область применения уравнения пластического течения. Полная реологическая кривая течения цепочечной структуры. Течение в каналах ограниченных размеров, максимальная вязкость и ее приборная неинвариантность. Максимальная вязкость при термическом ограничении длины цепей.
Фрактальная модель коагуляционной структуры. Тиксотропно равновесный размер флокул в потоке и равновесная объемная доля флокул в потоке. Уравнение структурного состояния и уравнение для вязкости. Уравнение нелинейно пластичного течения и полная реологическая кривая течения коагуляционной структуры. Предельный переход к простой цепочечной структуре. Течение в узких каналах, его неустойчивость, возникновение колебательного режима течения.
Модель послойного скольжения. Глубина проникновения сдвигового течения среды внутрь полупроницаемого тела. Уравнение структурного состояния и реологическое уравнение течения.
Элементы вискозиметрии. Основные типы вискозиметров и области их применения.

Тема 3.5 Полимеры и их растворы

Химическое строение и особенности теплового движения полимерных молекул. Гибкость макромолекул. Микро- макросостояния полимерной цепи. Конфигурационная энтропия и наиболее вероятное состояние полимерных клубков.
Растворы полимеров. Особенности растворения и состояния полимера в растворе. Разбавленные и полуразбавленные растворы. Вязкость разбавленных и концентрированных полимерных растворов. Механизм рептаций.
Полиэлектролиты. Влияние pH и ионного состава среды на параметры состояния полимерных молекул в растворе. Стабилизация суспензий полиэлектролитами. Роль ионов поливалентных металлов.

Тема 3.6 Методы диагностики суспензий
Коагуляция и флокуляция суспензий при их сильном разбавлении. Оптический метод контроля. Ослабление и рассеяние света коллоидными растворами. Формула Релея. Природа нелинейности зависимости экстинкции от времени коагулирующих систем.
Характер оседания устойчивых и неустойчивых суспензий. Предельные объемы осадков, их слоистость.
Реологические свойства. Максимально возможная концентрация (минимальная влажность) технических суспензий, паст, формовочных масс.
Электрокинетический потенциал как сравнительная мера устойчивости и его измерение.

ТЕМАТИКА ПРАКТИЧЕСКИХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ

 Содержание практических занятий с использованием интерактивных электронных средств

№ темы Содержание занятия Объем, час
1 Рецептурные и геометрические характеристики дисперсных систем. 2
2 Строение и параметры состояния двойного электрического слоя 2
3 Потенциальные функции взаимодействия частиц 2
4 Экстремумы потенциальных и силовых функций взаимодействия 2
5 Распределение дисперсной фазы по высоте, образование осадка 2
6 Кинетика коагуляции и разделения фаз 2
7 Уравнение реологии тиксотропных систем 2
8 Уравнение реологии дилатантных систем 2
9 Параметры состояния предельно концентрированных суспензий 2
Всего 18

Содержание лабораторных занятий

№ темы Содержание занятия Объем, час
1 Поверхностное натяжение растворов 2
2 Адсорбция на поверхности твердых веществ 2
3 Получение коллоидных растворов 2
4 Электрокинетические явления 2
5 Гранулометрия дисперсных систем 2
6 Вискозиметрия ньютоновых жидкостей 2
7 Вискозиметрия неньютоновых жидкостей 2
8 Разделение фаз дисперсных систем 2
Всего 16