Примерная  Программа дисциплины
"Коллоидная химия"
для студентов геологических факультетов

Специальность: 011400 - Гидрогеология и инженерная геология

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 приложении в геологии. Преимущественное внимание уделяется тем разделам коллоидной химии, которые наиболее важны для понимания природы и закономерностей многих геологических процессов. Это создает тот фундамент знаний, который необходим для последующего успешного освоения студентами ряда общих и специальных геологических дисциплин и обеспечивает подготовку квалифицированных специалистов-геологов.

Среди основных вопросов, затрагиваемых в данном курсе и наиболее важных для будущих геологов, можно выделить: свойства поверхности раздела фаз, капиллярные эффекты, адсорбция и ионный обмен; пути и условия образования дисперсных систем; закономерности процессов массопереноса в дисперсных системах; электроповерхностные свойства; устойчивость и разрушение дисперсных систем; такие проблемы физико-химической механики - нового крупного раздела коллоидной химии - как формирование пространственных структур в дисперсных системах, способы описания и особенности их реологического поведения; условия и формы проявления эффекта Ребиндера.

Освоение теоретических разделов курса подкрепляется практикумом, целью которого является познакомить студентов с основными методами исследования дисперсных систем, привить необходимый минимум практических навыков в постановке и выполнении коллоидно-химических экспериментов и обработке результатов.

Объем курса - 36 час., в том числе 14 час. лекций, 22 час. практикума, совмещенного с семинарами и коллоквиумами.

Введение

Определение, основные понятия, задачи и направления коллоидной химии; ее значение для геологии и других областей науки и техники.

Классификация дисперсных систем. Характеристики степени дисперсности. Оптические и молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем и основанные на них методы дисперсионного анализа.

Поверхность раздела фаз; ее силовое поле. Молекулярные взаимодействия в объеме фаз и на межфазной поверхности раздела. Поверхностная энергия. Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное и межфазное натяжение). Работа когезии; работа адгезии. Энергия границы зерна в поликристаллах.

Явления смачивания и капиллярности. Краевой угол смачивания. Уравнение Юнга. Термодинамическое условие смачивания, несмачивания и растекания. Избирательное смачивание; гидрофобные и гидрофильные поверхности. Межзеренное внедрение жидких фаз. Условие Гиббса-Смита. Капиллярное давление. Закон Лапласа. Капиллярное поднятие; стягивающая сила капиллярных менисков.

Влияние кривизны поверхности на давление насыщенного пара и растворимость твердых частиц. Закон Томсона (Кельвина). Изотермическая перегонка вещества: собирательная рекристаллизация, капиллярная конденсация. Роль смачивания и капиллярных явлений в геологических системах.

Термодинамика адсорбции. Адсорбция газов и паров. Физическая и химическая адсорбция.

Адсорбция из растворов на жидких границах. Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Поверхностная активность. Поверхностно-инактивные вещества. Изотермы поверхностного натяжения. Уравнение Шишковского. Адсорбционное уравнение Гиббса. Уравнение мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. Мономолекулярные слои; их строение и свойства. Высокомолекулярные ПАВ - полиэлектролиты.

Особенности молекулярной адсорбции из растворов на твердой поверхности и на границах зерен. Влияние адсорбционных слоев ПАВ на адгезию и смачивание. Коллоидно-химические основы флотации.

Адсорбционные методы определения удельной поверхности адсорбентов.

Адсорбция ионов. Двойной электрический слой (ДЭС); его строение. Влияние электролитов на структуру ДЭС. Роль специфической адсорбции.

Ионный обмен. Ионно-обменный комплекс. Лиотропные ряды. Ионный обмен в грунтах; его влияние на состав грунтовых вод.

Диффузия и седиментация в дисперсных системах. Фильтрация. Представление о теории перколяции. Электрокинетические явления: электроосмос, электрофорез, токи и потенциалы протекания и седиментации. Уравнение Гельмгольца-Смолуховского для скорости электроосмоса (электрофореза). Граница скольжения. Электрокинетический (z - ) потенциал. Изоэлектрическое состояние. Перезарядка поверхности коллоидных частиц. Поверхностная проводимость. Электропроводность дисперсных систем. Суспензионный эффект.

Роль процессов переноса и электроповерхностных свойств дисперсных систем в инженерной геологии и гидрогеологии.

Образование свободнодисперсных систем при диспергировании макрофаз. Условия самопроизвольного диспергирования. Лиофобные и лиофильные дисперсные системы. Растворы высокомолекулярных соединений (ВМС); сходство и отличие от лиофильных коллоидных систем. Пептизация - как самопроизвольное дезагрегирование (распад) связнодисперсных систем; условие пептизации. Процессы диспергирования и дезагрегации в геологических системах.

Образование лиофобных дисперсных систем в процессах конденсации новой фазы при фазовых переходах. Основы теории гомогенного и гетерогенного образования зародышей новой фазы. Рост кристаллов, кристаллизационное давление. Процессы конденсации в геологических системах; коллоиды в земной коре.

Образование лиофильных дисперсных систем при самопроизвольной ассоциации молекул ПАВ. Мицеллообразование. Солюбилизация. Мицеллярные системы в нефтедобыче.

Механизмы нарушения устойчивости лиофобных дисперсных систем: коагуляция, коалесценция, изотермическая перегонка вещества, седиментация. Флокуляция. Факторы устойчивости. Свойства тонких пленок. Расклинивающее давление; его составляющие: молекулярная, электростатическая и структурная. Структурно-механический барьер (по Ребиндеру) как фактор сильной стабилизации. ПАВ и полиэлектролиты как стабилизаторы и флокулянты. Коагуляция и пептизация под действием электролитов; основы теории ДЛФО. Процессы коагуляции и пептизации в грунтах. Использование ВМС для закрепления грунтов.

Общие представления об устойчивости пен и эмульсий.

Физико-химическая механика - важный раздел современной коллоидной химии; ее задачи и направления. Способы описания механического поведения систем. Элементы реологии. Реологические модели; упругое, вязкое, пластическое и вязко-пластическое (модель Бингама) поведение; модель возникновения внутренних напряжений, модель Максвелла.

Структурообразование в дисперсных системах. Взаимодействие частиц и типы контактов. Реологические свойства свободно- и связнодисперсных систем. Тиксотропия. Полная реологическая кривая для систем с коагуляционной структурой. Дисперсные системы в грунтах. Роль тиксотропии в природных и технологических процессах; использование тиксотропных систем в бурении.

Адсорбционное влияние среды на механические свойства твердых тел и дисперсных структур (эффект Ребиндера). Факторы, влияющие на интенсивность и форму проявления эффекта Ребиндера. Эффект Ребиндера в геологических системах.

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

Практические занятия

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 заряда частиц золя и электрокинетического потенциала методом электрофореза.
5. Коагуляция лиофобных золей электролитами.
6. Исследование агрегативной устойчивости суспензий гидрофильных порошков в различных жидких средах и их стабилизация с помощью ПАВ.
7. Кристаллизационное структурообразование в дисперсных системах.
8. Влияние электролитов на процесс нестационарной фильтрации глинистых дисперсий.
9. Реологические свойства ньютоновских, неньютоновских жидкостей и структурированных дисперсных систем.
10. Влияние электролита на реологические свойства глинистых суспензий.

1. Свойства границы раздела фаз. Смачивание твердых тел жидкостями.
2. Капиллярные явления; их роль в геологических системах.
3. Адсорбция из растворов. Ионный обмен. Роль этих процессов в грунтах.
4. Электроповерхностные свойства дисперсных систем; их значение в природных дисперсных системах.
5. Образование и устойчивость дисперсных систем.
6. Структурообразование и реологические свойства дисперсных систем. Коллоидно-химические основы управления свойствами грунтов.

1. Поверхностные явления в дисперсных системах
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. 2-е изд., М.: Высш. шк., 1992.

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

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

Методические разработки к практикуму по коллоидной химии. Составитель и редактор Е.А.Амелина. М.: Изд-во Моск. ун-та, 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 составили:
А.В.Перцов, доктор хим. наук;
Е.А.Амелина, доц.
(Московский государственный университет)