5 Семестр Коллоидная химия и химия высокомолекулярных соединений

№ п/п

Тема лекции

Содержание (план) лекции

Кол-во часов

1.

Основные понятия и задачи коллоидной химии

Определение, основные задачи и направления коллоидной химии – крупной самостоятельной области химической науки, изучающей свойства вещества в дисперсном состоянии и поверхностные явления в дисперсных системах, условия возникновения, характерные свойства и устойчивость микрогетерогенных дисперсных систем как систем с предельно развитой поверхностью раздела между фазами. Значение коллоидной химии для различных отраслей науки и техники. Роль коллоидной химии в изучении биологических систем и биологических процессов.

Классификация дисперсных систем по интенсивности межфазных молекулярных взаимодействий (лиофильные и лиофобные дисперсные системы), дисперсности, агрегатному состоянию фаз и способности образовывать трехмерные структуры.

Растворы биополимеров-белков как пример лиофильных коллоидных систем. Бактерии – «живые» коллоиды. Мембраны – двусторонние тонкие пленки – структурированные коллоидные образования.

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

2

№ п/п

Тема лекции

Содержание (план) лекции

Кол-во часов

2.

Молекулярные взаимодействия и особые свойства поверхностей раздела

Граница раздела фаз; ее силовое поле. Поверхностное натяжение (удельная свободная поверхностная или межфазная энергия) как характеристика этого поля; молекулярное давление. Основы термодинамики поверхностных явлений. Сгущение термодинамических функций в поверхностном слое. Влияние температуры на удельные термодинамические функции поверхностного слоя. Критическая точка по Менделееву.

Статические, полустатические и динамические методы измерения поверхностного натяжения на легкоподвижных границах фаз. Межфазное натяжение на поверхности раздела насыщенных растворов двух взаимно ограниченно растворимых жидкостей, правило Антонова.

Явления капиллярности и смачивания. Термодинамические условия смачивания и растекания (полного смачивания) на твердых и жидких поверхностях. Краевой угол, теплота смачивания. Избирательное смачивание.

Лио-(гидро-)фильные и лио-(гидро-)фобные поверхности. Работа когезии и адгезии. Адгезия бактерий на твердых поверхностях.

Капиллярное давление. Закон Лапласа. Закон Томсона (Кельвина). Самопроизвольные процессы собирательной рекристаллизации, изотермической перегонки веществ, капиллярной конденсации пара в узких порах адсорбента. Роль капиллярных явлений в агротехнике и биологии.

2

3.

Адсорбционные слои и их влияние на свойства дисперсных систем

Адсорбция из растворов на жидких и твердых поверхностях как самопроизвольное сгущение на границе раздела фаз массы компонентов, понижающих поверхностное (межфазное) натяжение. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), их классификация по молекулярному строению (анион-, катионактивные, амфолитные, неионогенные, низко- и высокомолекулярные) и по механизму действия (смачиватели, диспергаторы, стабилизаторы, моющие средства). Белки, ферменты, липиды, гликолипиды, липополипептиды – природные поверхностно-активные вещества (Био-ПАВ). Представление о гидрофильно-олеофильном балансе молекул ПАВ. Поверхностно-инактивные вещества.

Поверхностная активность. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации раствора ПАВ; уравнение Шишковского. Адсорбционное уравнение Гиббса и его применение. Правило Траубе-Дюкло. Специфика поверхностной активности высокомолекулярных ПАВ (белков, ферментов).

2

№ п/п

Тема лекции

Содержание (план) лекции

Кол-во часов

4.

Термодинамика молекулярной адсорбции из раствора

Закономерности молекулярной адсорбции из растворов. Правило уравнивания полярностей Ребиндера. Уравнение изотермы мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. Связь с уравнением изотермы Шишковского. Адсорбционная активность ПАВ.

Влияние адсорбционных слоев ПАВ на смачивание и адгезию, гидрофилизация и гидрофобизация поверхностей. Строение адсорбционных слоев низко- и высокомолекулярных ПАВ.

Двумерное состояние вещества в адсорбционном слое. Слои малорастворимых ПАВ на жидких поверхностях. Двумерное (поверхностное) давление. Уравнение двумерного состояния вещества. Методы определения молекулярных констант адсорбционных слоев поверхностно-активных веществ. Определение молекулярных масс белков с помощью весов Ленгмюра. Специфика двумерного состояния биополимеров.

Использование весов Ленгмюра в исследованиях биологически активных веществ и некоторых биопроцессов. Изотерма двумерного давления биологически активных веществ (ферменты, белки, липиды, жирные кислоты, желчные соли, лекарственные вещества). Коллапс монослоев – пример двухмерного фазового превращения. Использование метода монослоев для изучения механизма биохимических реакций. Ленгмюровские пленки на основе монослоев ПАВ как модели организованных структур.

2

5.

Лиофильные дисперсные системы

Равновесие в лиофильных коллоидных системах. Критерий лиофильности по Ребиндеру и Щукину. Самопроизвольное диспергирование.

Коллоидные свойства поверхностно-активных веществ. Мицеллообразование. Методы определения критической концентрации мицеллообразования (ККМ).

Гидрофобные взаимодействия. Структура воды. Термодинамика гидрофобных взаимодействий. Бинарная фазовая диаграмма для системы вода/ПАВ.

Растворы белков и высокомолекулярных веществ как лиофильные дисперсные системы. Общность физико-химической природы мицеллообразования в мылах и перехода клубок-глобула в белках. Внутримолекулярные мицеллы в дифильных полиэлектролитах. Обращенные мицеллы ПАВ в неводных растворителях. Числа агрегации. Реакции в мицеллах и мицеллярный катализ.

2

№ п/п

Тема лекции

Содержание (план) лекции

Кол-во часов

6.

Солюбилизация и микроэмульсии

Тройная фазовая диаграмма для системы вода/масло/дифильное поверхностно-активное вещество. Солюбилизация как коллоидно-химическое явление. Закономерности солюбилизации в мицеллах и глобулярных белках.

Роль гидрофобных взаимодействий в процессах обмена и переноса липидных веществ в организме. Фермент-субстратные взаимодействия как пример биотехногенного процесса.

Микроэмульсии. Теория фазового состояния. Взаимодействия и реакции в микроэмульсиях. Коллоидно-химические явления при эмульсионной полимеризации. Роль поверхностно-активных коллоидов - растворов солей желчных кислот в процессе ассимиляции жиров организмом.

2

7.

Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем

Броуновское движение. Теория броуновского движения по Эйнштейну-Смолуховскому, экспериментальная проверка теории Перреном, Сведбергом, Вавиловым. Диффузия в коллоидных системах. Уравнение Эйнштейна. Осмотические явления в коллоидных системах, их роль в биологических процессах.

Седиментация в дисперсных системах. Уравнение Сведберга-Одена. Седиментационно-диффузионное равновесие Перрена-Больцмана; время установления равновесия. Применение центрифуги и ультрацентрифуги (Думанский, Сведберг).

1

8.

Оптические свойства дисперсных систем

Рассеяние и поляризация света в коллоидных системах. Закон Рэлея и условия его применимости.

Нерэллеевское рассеяние и поглощение света непроводящими и проводящими частицами. Окраска коллоидных систем. Окрашенные коллоидные растворы в природе и технике. Двойное лучепреломление в коллоидных системах.

1

№ п/п

Тема лекции

Содержание (план) лекции

Кол-во часов

9.

Электрические свойства дисперсных систем

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

Современные представления о структуре двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Электрокинетический потенциал. Строение мицелл в гидрофобных коллоидных системах.

Влияние индифферентных и неиндифферентных электролитов на электрокинетический потенциал и заряд коллоидных частиц. Перезарядка частиц.

Уравнение Гельмгольца-Смолуховского для определения электро-осмотического (электрофоретического) переноса; методы определения электрокинетического потенциала.

Обессоливание воды методом электродиализа и обратного осмоса.

Состояние полиэлектролитов с одноименно заряженными группами в растворах. Амфолиты, белки, изоэлектрическое и изоионное состояния. Уравнение Михаэлиса для определения изоэлектрической точки белка. Использование электрофореза для фракционирования и установления гомогенности, определения изоточки и изучения комплексообразования белков.

2

10.

Коагуляция коллоидных систем электролитами

Коагуляция гидрофобных золей электролитами. Кинетика быстрой и медленной коагуляции по Смолуховскому. Основы современной теории коагуляции лиофобных золей электролитами. Правило Шульце-Гарди. Пептизация. Взаимная коагуляция золей. Коагуляция в водных растворах полиэлектролитов. Высаливание белков при добавлении электролитов. Явление коацервации, ее роль в биологических процессах, в процессах фазоразделения. Микрокапсулирование.

2

№ п/п

Тема лекции

Содержание (план) лекции

Кол-во часов

11.

Структурообразование, реологические и структурно-механические свойства дисперсных систем

Развитие пространственных структур в дисперсных системах. Кристаллизационно-конденсационные и коагуляционные структуры. Природа контактов между элементами структуры. Образование кристаллизационно-конденсационных дисперсных структур при выделении и срастании частиц новой фазы.

Дисперсные структуры, формирующиеся в высокомолекулярных соединениях и их концентрированных растворах. Диаграмма состояния высокомолекулярное соединение–растворитель–осадитель. Образование и строение гелей белков (на примере перехода желатина-коллаген). Конформационные превращения в процессе структурообразования и роста новой фазы в лиофильных дисперсных системах. Явления синерезиса и набухания. Коллоидные свойства протоплазмы.

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

2

12.

Основы реологии

Реологические свойства дисперсных систем. Уравнение Ньютона; уравнение Эйнштейна, причины аномалии вязкости дисперсных систем. Уравнение Бингама. Прочность дисперсных систем. Предельное напряжение сдвига. Природа упругости (высокоэластичности) дисперсных систем. Понятие о релаксации напряжения и упругом последействии. Реологические кривые течения.

Тиксотропия как обратимое восстановление коагуляционных структур после механического разрушения в процессе течения; зависимость эффективной вязкости от напряжения сдвига. Роль тиксотропии в биологии и технологических процессах. Реологические особенности гелей биополимеров. Реология крови.

Реологические методы исследования межфазных адсорбционных слоев Био-ПАВ, типы реологических кривых.

1

№ п/п

Тема лекции

Содержание (план) лекции

Кол-во часов

13.

Устойчивость и стабилизация дисперсных систем

Агрегативная и седиментационная устойчивость. Термодинамическая устойчивость лиофильных дисперсных систем. Условия самопроизвольного диспергирования. Молекулярные взаимодействия в дисперсных системах. Константы Гамакера. Потенциальная энергия взаимодействия частиц.

Факторы агрегативной устойчивости лиофобных дисперсных систем. Эффект Марангони-Гиббса как фактор стабилизации пленок, пен и эмульсий. Структурно-механический барьер по Ребиндеру как фактор сильной стабилизации. Стабилизирующее действие двойных диффузных слоев ионов, электростатическая составляющая расклинивающего давления. Теория устойчивости дисперсных систем по Дерягину-Ландау-Фервею и Овербеку.

Эмульсии, их классификация и методы получения, обращение фаз в эмульсиях. Практическое получение эмульсий. Стабилизация эмульсий. Реологические свойства межфазных адсорбционных слоев белков и поверхностно-активных полимеров и их роль в устойчивости и коалесценции концентрированных эмульсий.

Пены: методы получения, устойчивость. Устойчивость «черных» пленок. Двусторонние пленки белков и липидов.

2

14.

Коллоидно-химические основы охраны окружающей среды

Очистка гидросферы (воды) от коллоидных частиц загрязнений. Использование принципов коагуляции и флокуляции. Фильтрование и ультрафильтрация. Центрифугирование.

Очистка воды от поверхностно-активных загрязнений. Применение пенной сепарации.

Очистка воды от токсичных загрязнений, растворимых в воде. Использование адсорбции и ионообменных колонок. Управление выпадением осадков путем добавления зародышей кристаллизации.

Комплексные способы очистки воды, включающие микробиальную очистку, гетерокоагуляцию, электрофлотацию.

1

№ п/п

Тема лекции

Содержание (план) лекции

Кол-во часов

15.

Предмет и основные понятия химии ВМС.

Классификация ВМС

Макромолекула, звено полимерной цепи, способы соединения звеньев в макромолекулы. Важнейшие свойства полимеров, вытекающие из их длинноцепочечного строения и отличающие их от низкомолекулярных веществ. Высокая эластичность, способность к образованию анизотропных ориентированных структур, явление набухания и образование гелей. Свойства полимеров, важные для биологии, в том числе способность преобразовывать химическую энергию в механическую работу – хемомеханические машины, иерархия макромолекулярных структур и способность запоминать и хранить информацию.

Химическая классификация полимеров. Гомоцепные (карбоцепные) и гетероцепные полимеры, важнейшие представители и области применения. Модельные и биологические макромолекулы. Неорганические и элементоорганические полимеры. Агрегатные физические состояния полимеров.

Важнейшие характеристики макромолекул: молекулярная масса, степень полимеризации. Молекулярно-массовое распределение и его параметры. Понятие среднечисленной и средневесовой молекулярных масс и параметра полидисперсности.

2

16.

Конфигурационная изомерия макромолекул. Синтез ВМС

Конфигурационная изомерия макромолекул, важнейшие типы конфигурационных изомеров полимерных цепей и способы их изображения. Стереорегулярные синтетические полимеры: изо- и синтактические.

Представление о пространственном строении модельных и биологических макромолекул – белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов. Связь пространственной структуры макромолекул и способов их синтеза. Основные методы синтеза макромолекул – полимеризация (свободнорадикальная и ионная) и поликонденсация. Молекулярно-массовые распределения полимеров, образующихся в результате полимеризации и поликонденсации.

2

№ п/п

Тема лекции

Содержание (план) лекции

Кол-во часов

17.

Строение и свойства изолированных макромолекул

Конформации макромолекул. Внутреннее вращение в полимерных цепях и гибкость макромолекул. Изолированная цепь. Представление о форме и размерах полимерной цепи.

Свободно-сочлененная цепь, конформация клубка, функция распределения расстояний между концами цепи. Средние размеры идеальной цепи, степень свернутости и гибкость цепи.

Пространственное строение, заторможенность внутреннего вращения, объемные эффекты и гибкость макромолекул. Соотношение между размерами идеальной и реальной цепи. Понятие статистического сегмента и оценка гибкости полимерной цепи. Энтропийная природа упругости идеальной цепи и ее связь с высокоэластичной деформацией каучуков.

Представление об упорядочных (регулярных) конформациях макромолекул. Регулярные конформации важнейших модельных и биологических макромолекул. Вторичные структуры белков и нуклеиновых кислот.

Конформации полипептидных цепей – -спираль и -форма. Связь вторичной структуры с пространственным строением и первичной структурой полипептидных цепей.

Роль водородных связей в стабилизации вторичной структуры биополимеров. Природа кооперативной стабилизации вторичных структур в белках и нуклеиновых кислотах.

Кооперативный характер разрушения вторичных структур. Основы теории конформационных переходов спираль-клубок в однонитевых и двухнитевых модельных биополимерах. Сравнение выводов теории и экспериментальных исследований конформационных переходов. Факторы, вызывающие конформационные превращения. Представление о третичной и четвертичной структуре биополимеров.

2

№ п/п

Тема лекции

Содержание (план) лекции

Кол-во часов

18.

Растворы полимеров

Термодинамика растворения полимеров в низкомолекулярных растворителях. Разбавленные, полуразбавленные и концентрированные растворы полимеров. Основы решеточной теории Флори растворов и расплавов полимеров. Энтропия и энтальпия смешения, уравнение состояния раствора полимера.

Понятие качества растворителя полимера: хорошие, плохие и идеальные () растворители, -температура. Параметр взаимодействия Флори-Хаггинса.

Осмотическое давление раствора полимера. Экспериментальное определение среднечисленной молекулярной массы полимера и второго вириального коэффициента раствора,

Явление фазового разделения в растворах полимеров. Фазовые диаграммы систем полимер-растворитель. Влияние молекулярной массы полимеров на вид фазовых диаграмм. Фракционирование полимеров по молекулярной массе, экспериментальное исследование молекулярно-массового распределения.

Рассеяние света растворами полимеров. Измерение средневесовой молекулярной массы и средних размеров полимерных клубков. Применение cвeтoрассеяния для изучения вторичной структуры модельных макромолекул и биополимеров в растворе.

Гидродинамические свойства макромолекул в растворе. Метод вискозиметрии для измерения средневязкостной молекулярной массы и определения размеров и конформании макромолекул в растворе.

Представления о методах диффузии и седиментации для исследования растворов полимеров.

2

19.

Полиэлектролиты

Химическое строение и классификация. Отличие свойств полиэлектролитов от низкомолекулярных электролитов и от обычных незаряженных макромолекул. Осмотическое давление в растворах полиэлектролитов, равновесие Доннана.

Электрохимические свойства гибкоцепных полиэлектролитов, кислотно-основное равновесие, конформация и конформационные переходы в заряженных цепях.

Вискозиметрия водных и водно-солевых растворов полиэлектролитов. Полиамфолиты, их изоэлектрическое и изоионное состояния.

Гидрофобные взаимодействия в водных растворах синтетических и природных полиэлектролитов. Энтропийная природа гидрофобных взаимодействий, их роль в стабилизации макромолекулярных структур.

2