04.04.01 Химия

Аннотация рабочей программы учебной дисциплины
«Строение вещества»

по направлению подготовки 04.04.01 Химия
направленность Физическая и коллоидная химия

1. Объем дисциплины 3 з.е.
2. Содержание дисциплины
Тема 1. Введение. Эволюция Вселенной. Вещество и поле
Содержание понятий «Строение вещества» и «Структура вещества».
Тема 2. Структурные свойства вещества
Различные аспекты термина «Строение молекул»: геометрический, электронный и др. Молекулярные модели различного уровня в современной теории химического строения. Величины, определяющие геометрическую конфигурацию молекулы: межъядерные расстояния, валентные углы. Общий обзор методов экспериментального и теоретического изучения строения молекул и строения вещества.
Тема 3. Межмолекулярное взаимодействие и его составляющие.
Термодинамика межмолекулярного взаимодействия
Потенциалы межмолекулярного взаимодействия (потенциал Леннарда-Джонса и Морзе).
Тема 4. Структура кристаллов
Симметрия молекулярных систем. Операции симметрии. Точечные группы симметрии. Атомные, молекулярные и ионные кристаллы. Коэффициент упаковки молекул в кристаллах.
Тема 5. Структурные свойства газового состояния. Реальный газ
Уравнения состояния идеального и реального газов. Теорема вириала. Структурные характеристики реального газа (кластерные образования).
Тема 6. Структурные и физические свойства простых жидкостей.
Энергия эффективного парного потенциала
Cодержание понятия «Структура жидкости»: мгновенная, колебательно-усредненная, диффузионная. Функции радиального распределения (РФР) молекулярной плотности и межатомных расстояний. Коэффициент упаковки молекул в жидкости. Методы определения числа ближайших соседей структурной частицы.
Тема 7. Структурные и физические свойства жидкостей с водородными связями
Вода (тепловое расширение и коэффициент упаковки молекул в жидком состоянии).
Тема 8. Интерпретация процесса нагревания простых жидкостей и воды
Особенности процесса нагревания простых жидкостей (благородных газов). Процесс нагревания воды. Точки подобия жидкого состояния.
Тема 9. Критическое состояние вещества
Структурные и термодинамические характеристики вещества в критическом состоянии.
3. Форма промежуточной аттестации – экзамен

Аннотация рабочей программы учебной дисциплины
«Математические методы расчетов химических процессов»

по направлению подготовки 04.04.01 Химия
направленность Физическая и коллоидная химия

1. Объем дисциплины 4 з.е.
2. Содержание дисциплины
Тема 1. Линейные алгебраические системы
Матрицы, действия над матрицами. Детерминант (определитель), его свойства. Системы линейных алгебраических уравнений. Метод Гаусса. Однородные линейные системы. Расчёт смесей сложного состава. Определение состава смеси по данным спектрофотометрических измерений. Исследование состава смеси при помощи системы химических сенсоров. Анализ размерностей.
Тема 2. Векторы
Обозначение и виды векторов. Действия над векторами. Законы векторной алгебры. Координатные формулы. Скалярное, векторное и смешанное произведение. Плоскость. Прямая. Момент силы. Координаты центра масс активированного комплекса. Расчёт расстояний в пространственных решётках.
Тема 3. Элементы исследования функции одной переменной
Определение функции. Непрерывность функции. Погрешность вычисления функции одной переменной. Линейная аппроксимация. Правило Лопиталя–Бернулли. Исследование функции. Правила исследования стационарных точек. Построение линии равновесия. Уравнение линии рабочих концентраций в процессе массопередачи. Максимум скорости реакции. Автокаталитические реакции. Уравнение Аррениуса. Приближённое решение конечных уравнений. Химические системы, описываемые нелинейными уравнениями.
Тема 4. Интегралы
Неопределённый интеграл. Теорема об общем виде первообразной. Неопределённые интегралы основных элементарных функций. Определённый интеграл. Несобственные интегралы. Простейшие дифференциальные уравнения. Теплота, расходуемая на нагревание образца. Температура водородного пламени. Закон Бугера–Ламберта–Бера. Скорость ламинарного течения жидкости. Закон Пуазейля. Инверсия сахаров. Определение размера частиц по скорости седиментации. Простая перегонка. Измерение излучения точечного источника радиоактивности. Регулирование кислотности среды в химическом реакторе.
Тема 5. Дифференцирование функций нескольких переменных
Функция двух переменных. Дифференцирование композиции. Частные производные высших порядков. Локальный экстремум функции двух переменных. Функции многих переменных. Дифференцирование композиции. Дифференцирование вектор-функций скалярных аргументов. Скалярное поле. Градиент. Векторное поле. Описание процесса многоступенчатой экстракции. Экстракция уксусной кислоты.
Тема 6. Метод наименьших квадратов
Случай линейной функциональной зависимости. Случай нелинейной функциональной зависимости. Определение Аррениусовых параметров. Определение гидратного числа для карбоновой кислоты.
Тема 7. Обыкновенные дифференциальные уравнения
Дифференциальные уравнения первого порядка. Уравнение в полных дифференциалах. Линейное уравнение. Однородное уравнение относительно искомой функции y и аргумента x. Дифференциальные уравнения второго порядка. Линейные однородные системы дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Радиоактивный распад. Среднее время жизни возбуждённого состояния молекулы. Определение порядка реакции. Средняя скорость реакции. Кинетика коагуляции. Седиментация частиц в жидкости. Линейные осцилляторы. Кинетика химической реакции в условиях диффузии. Необратимые и обратимые реакции первого порядка. Последовательные реакции. Последовательно-параллельные реакции первого порядка.
Тема 8. Ряды
Числовые ряды. Знакоположительные ряды. Знакопеременные ряды. Степенные ряды. Вычисление радиуса сходимости. Ряды Фурье. Интеграл Фурье. Преобразование Фурье. Отмывка полимера. Фильтрование в цилиндрических фильтрах. Перенос тепла через стенку реактора. Фурье-спектроскопия. Выявление скрытых периодичностей.
Тема 9. Элементы теории вероятностей и математической статистики
Некоторые элементы комбинаторики. Основные понятия теории вероятностей. Геометрическая интерпретация вероятности. Распределение частиц по ячейкам. Теоремы умножения и сложения вероятностей. Законы распределения и числовые характеристики случайных величин. Вероятностная модель задачи о примеси. Число частиц заданного размера. Эмпирическая функция распределения. Выборочное среднее. Выборочная дисперсия. Исправленная выборочная дисперсия. Распределения Пирсона и Стьюдента. Доверительный интервал. Доверительная вероятность. Распределение Фишера–Снедекора. Выбраковка результатов химического анализа. Статистическая проверка статистических гипотез. Построение доверительного интервала для регрессионной прямой.
3. Форма промежуточной аттестации – экзамен

Аннотация рабочей программы учебной дисциплины
«Коллоидная химия поверхностно-активных веществ»

по направлению подготовки 04.04.01 Химия
направленность Физическая и коллоидная химия

1. Объем дисциплины 8 зе.
2. Содержание дисциплины
Тема 1. Введение в коллоидную химию ПАВ
Понятие о поверхностной активности и поверхностно-активных веществах (ПАВ). Адсорбция ПАВ на межфазных границах. Правило уравнивания полярностей Ребиндера. Агрегирование ПАВ в растворе. Дифильные (амфифильные) свойства молекул ПАВ. Димерные ПАВ (gemini). Роль ПАВ в биологических процессах. Применение ПАВ в различных областях человеческой деятельности.
Тема 2. Классификация ПАВ
Классификация ПАВ по происхождению: природные и синтетические (олеохимические и нефтехимические).
Классификация ПАВ по растворимости: растворимые в воде, в масле, и в воде и в масле.
Классификация ПАВ по химической природе: ионогенные (анионные, катионные, амфотерные, цвиттер-ионные), неионогенные, ПАВ на основе кремния, фторсодержащие ПАВ.
Классификация ПАВ по физико-химическому механизму воздействия на межфазную поверхность: смачиватели и пенообразователи, диспергаторы, стабилизаторы, коллоидные ПАВ.
Тема 3. Межфазная энергия и межфазное натяжение
Межфазная (поверхностная) энергия, причина её возникновения на границе раздела фаз. Внутреннее давление. Обобщённое выражение 1-го и 2-го законов термодинамики для межфазной границы. Межфазное (поверхностное) натяжение: силовая, энергетическая, термодинамическая трактовки. Методы: избыточных величин Гиббса и «слоя конечной толщины». Связь межфазной энергии с теплотой образования межфазной границы – уравнение Гиббса–Гельмгольца. Зависимость межфазного натяжения от температуры. Методы определения межфазного натяжения: статические (капиллярного поднятия, вращающейся капли, уравновешивания пластинки), полустатические (наибольшего давления, отрыва кольца, сталагмометрический), динамические (колеблющихся струй).
Тема 4. Понятие об адсорбции
Адсорбция, десорбция, адсорбент, адсорбат, адсорбтив. Физическая адсорбция и химическая адсорбция (хемосорбция). Ван-дер-ваальсовы взаимодействия: дисперсионные, диполь-дипольные, индукционные. Уравнение Леннарда–Джонса. Водородные связи. Абсолютная и гиббсовская (избыточная) адсорбция. Твёрдые адсорбенты. Применение адсорбции в различных областях человеческой деятельности.
Тема 5. Адсорбция ПАВ на границе «вода – воздух»
Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества на границе «вода – воздух». Термодинамическая трактовка поверхностной активности. Термодинамический вывод уравнения адсорбции Гиббса. Работа адсорбции. Правило Дюкло–Траубе. Построение изотермы адсорбции ПАВ по изотерме поверхностного натяжения.
Тема 6. Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра
Адсорбционные (активные) центры на поверхности адсорбента. Допущения теории Ленгмюра. Константа адсорбционного равновесия, предельная (максимальная) адсорбция. Вывод уравнения Ленгмюра. Графическое нахождение констант уравнения Ленгмюра. Расчёт удельной поверхности адсорбента. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ: уравнения Генри и Шишковского. Двухмерное поверхностное давление. Расчёт параметров частокола Ленгмюра – толщины адсорбционного слоя, площади поперечного сечения полярной группы одной молекулы ПАВ.
Тема 7. Строение адсорбционных слоёв ПАВ
Нанесение плёнок ПАВ на твёрдую поверхность по методу Ленгмюра–Блоджетт. Разреженный монослой ПАВ. Двухмерный аналог уравнения Менделеева–Клапейрона. Плотный монослой. Уравнение Фрумкина – двухмерный аналог уравнения Ван-дер-Ваальса. Предельно упакованный монослой – частокол Ленгмюра. Частокол Ленгмюра как самоорганизованная структура – предшественник организованной структуры жизни (по Доннану).
Тема 8. Адсорбция ПАВ на границах «жидкость – жидкость» и «твёрдое тело – жидкость»
Адсорбция на границе раздела жидких фаз ПАВ, растворимых в воде, в масле, и в воде и в масле. Коэффициент распределения ПАВ между полярной и неполярной жидкостями. Адсорбция ПАВ из растворов на поверхности твёрдых тел. Эмпирическое уравнение Фрейндлиха–Бедеккера. Молекулярная и ионная адсорбция. Лиотропные ряды. Состояние адсорбированного ПАВ на гидрофобных и гидрофильных поверхностях. Химическое модифицирование твёрдых поверхностей – самособирающиеся монослои ПАВ.
Тема 9. Гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ) ПАВ
ГЛБ, как характеристика сбалансированности полярной и неполярной частей молекулы ПАВ. Правило Банкрофта. Метод Гриффина для этоксилированных ПАВ и сложных эфиров жирных кислот и многоатомных спиртов. Метод Дэвиса – числа ГЛБ по Дэвису, области применения ПАВ в зависимости от значений числа ГЛБ. Термодинамический подход к оценке числа ГЛБ – связь числа ГЛБ с работой переноса молекулы ПАВ из полярной фазы в неполярную.
Тема 10. Мицеллообразование в растворах коллоидных ПАВ
Лиофильные мицеллы ПАВ: прямые и обратные мицеллы. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), методы её определения. Точка Крафта. Фазовая диаграмма системы «коллоидное ПАВ – вода». Критерии самопроизвольного мицеллообразования ПАВ: критическое межфазное натяжение, критерий Ребиндера–Щукина. Понятие о гидрофобных взаимодействиях, льдоподобная структура воды. Внутримолекулярные мицеллы белковых макромолекул. Модели мицеллообразования: модель фазового разделения и модель, основанная на законе действующих масс. Константа равновесия мицеллообразования. Термодинамические характеристики мицеллообразования – изменения энергии Гиббса, энтальпии, энтропии.
Тема 11. Самоорганизованные мицеллярные структуры ПАВ
Дискретные структуры: сферические, эллипсоидальные, цилиндрические. Связанные структуры: гексагональные, ламеллярные, биконтинуальные, губчатые. Везикулы, липосомы. Мицеллы Гартли и Мак-Бена. Формирование гелей в мицеллярных растворах ПАВ. Образование кристаллов ПАВ. Геометрические принципы упаковки мицеллярных структур, критический параметр упаковки, критические формы упаковки.
Тема 12. Солюбилизация
Солюбилизация в мицеллах ПАВ и глобулах макромолекул белков. Прямая и обратная солюбилизация, солюбилизат, солюбилизатор. Механизмы солюбилизации. Мольная солюбилизирующая способность, её расчёт. Термодинамические характеристики солюбилизации – изменения энергии Гиббса, энтальпии, энтропии. Применение солюбилизации. Моющее действие ПАВ. Мицеллярный катализ. Ферментативный катализ в обратных мицеллах ПАВ.
Тема 13. Ассоциаты ПАВ с полимерами и белками
Ассоциаты ПАВ с полимерами и белками как самоорганизованные структуры ПАВ. Синергетический эффект взаимодействия ПАВ с полимерами и белками. Влияние полимеров на поверхностную активность ПАВ. Изотерма поверхностного натяжения раствора ПАВ с добавкой полимера. Критическая концентрация ассоциации (ККА). Природа взаимодействий «полимер – ПАВ»: электростатические и гидрофобные взаимодействия. Модель «жемчужного ожерелья». Воздействие добавок ПАВ на нативную иерархическую структуру белка – денатурация белка.
3. Форма промежуточной аттестации – 2 семестр – зачёт, 3 семестр – экзамен.