Колоидна химия

Лекции, задачи и лабораторни упражнения.

Колоидната химия е физикохимия на повърхностите и колоидно дисперсните системи (КДС). В университетските специалности Химия и Медицинска химия колоидната химия се изучава като самостоятелна дисциплина, а за специалността Фармация на медицинските университети тя е модул в курса по физикохимия.

Настоящият учебник включва материали за двете класически форми на обучение по колоидна химия - лекции и упражнения. Предложените глави, техният обем и сложността на изложението им са съобразени с учебните програми на горните специалности. В приложенията обемът на някои от темите е разширен, като е представено съвременното им развитие и използваният в теориите математичен апарат.

Към всяка глава от учебника са предложени авторски тестови задачи с решения и подобни на тях за самостоятелна работа, подходящи за семинар, текущ контрол или изпит. Лабораторните упражнения са разработени във форма (с теоретична част), подходяща за използването им като самостоятелни единици.

Учебникът е подходящ за студенти (бакалаври и магистри) по химия, биология и фармация във всички висши училища. Тъй като е единственият нов учебник по колоидна химия за последните 30 години, той може да бъде полезен както за студенти, обучавани в магистърски и докторски програми с химична и биохимична насоченост, така и за преподаватели във висши училища и учители по химия.

МУ Проф. Д-р Параскев Стоянов
Варна, 9002
ул. Марин Дринов 55
press@mu-varna.bg

Анотация
Използвани символи и съкращения
Предговор
Процеси на междуфазовата граница

• Адсорбция върху твърдо тяло
• Дефиниция, измерение, причина и особености на адсорбцията
• Адсорбционни изотерми - влияние на налягането (концентрацията) върху адсорбцията
• Адсорбционна изотерма на Фройндлих
• Адсорбционна изотерма на Лангмюър
• Адсорбционна изотерма на Брунауер, Емет и Телър (БЕТ)
• Адсорбция върху твърдо тяло от газова смес
• Адсорбция върху твърдо тяло от разтвори
• Адсорбция от разтвори на неелектролити
• Адсорбция от разтвори на електролити. Правило на Панет-Фаянс
• Адсорбция на фазовата граница течност/газ
• Гибсов излишък
• Термодинамична дефиниция за адсорбция
• Термодинамика на реална хетерогенна система
• Уравнение на Гибс за реална хетерогенна система
• Повърхностно и междуфазово напрежение
• Уравнение на Гибс за междуфазов слой
• Уравнение на Гибс-Дюхем - термодинамична дефиниция за междуфазов слой
• Адсорбционна изотерма на Гибс
• Повърхностна активност. Повърхностно активни вещества (ПАВ)
• Класификации на ПАВ
• Първа класификация - според Ребиндер
• Втора класификация - в зависимост от химичния строеж на ПАВ
• Трета класификация в зависимост от поведението на ПАВ спрямо H₂O
• Четвърта класификация според хидрофилно-липофилния баланс (HLB) на ПАВ
• Адсорбция на-разтворими нискомолекулни ПАВ на течни повърхности
• Експериментално изучаване на адсорбцията на разтворими ПАВ на фазовата граница разтвор/газ. Уравнение на Шишковски и правило на Дюкло-Траубе
• Уравнения на състоянието на адсорбционния слой
• Термодинамична теория за адсорбция на йонни ПАВ
• Изчисляване на адсорбционните характеристики на ПАВ чрез уравнението на Гибс, ван дер Ваалс и ТДТ за ЙПАВ
• Схема за изчисляване Г∞ и А∞ на нейонни ПАВ с изотермата на Гибс
• Схема за изчисляване Г∞ и А∞ на йонни ПАВ с изотермата на Гибс
• Схема за изчисляване Г∞ и А∞, β и К на ПАВ в приближение на ван дер Ваалс
• Схема за изчисляване на адсорбционните параметри на C₁₂TAB чрез ТДТ за ЙПАВ
• Съпоставка на характеристиките на йонни и нейонни ПАВ в отсъствието и присъствието на електролити
• Адсорбция на белтъчни вещества на течни повърхности
• Етапи на адсорбционния процес на белтъци
• Структура на адсорбционни слоеве от белтъци
• Адсорбция на полимери на течни повърхности
• Конформация на полимери в разтвор
• Адсорбция на полимери. Конформация на полимери на фазовата граница
• Процеси с участието на ПАВ в обема - мицелообразуване и солюбилизация
• Мицелообразуване в полярна и неполярна среда
• Форма на мицелите
• Структура на мицелите
• Фактори, влияещи върху ККМ
• Температура на Крафт и точка на помътняване
• Методи за определяне на ККМ
• Агрегиране в човешкия организъм
• Приложение на мицелите
• Солюбилизация
• Локализацията на солюбилизата в мицелата
• Смесени адсорбционни слоеве Смесени мицели
• Смесени адсорбционни слоеве от нискомолекулни ПАВ синергизъм
• Схема за определянето на β_S и β_M
• Бустерни двойки
• Смесени адсорбционни слоеве от нискомолекулни ПАВ и полимери
• Смесени адсорбционни слоеве от белтъчни вещества и нискомолекулни ПАВ
• Мономолекулни слоеве от неразтворими ПАВ. Двумерно налягане
• Двумерно налягане
• Фазови преходи в мономолекулен слой
• Приложение на монослоя, като моделна система
• Монослоя като модел за изследване на биологичните мембрани
• Монослоя като обвивка на твърда лекарствена форма
• Протеинов монослой - уравнение на Фолмер за определяне на молекулната маса или конформацията на белтък
• Умокряне. Контактен ъгъл. Миещо действие
• Условие за умокряне
• Контактен ъгъл
• Хистерезис на умокрянето
• Кохезия и адхезия
• Регулиране на умокрянето с ПАВ
• Миещо действие
• Процеси на изкривена фазова граница
• Капилярно налягане
• Капилярно покачване или спускане на течност в капиляр
• Решени задачи върху глава Процеси на фазовата граница
• Задачи за самостоятелна работа върху глава Процеси на фазовата граница
• Лабораторни упражнения върху глава Процеси на фазовата граница
• Адсорбция на оцетна киселина върху активен въглен
• Повърхностно напрежение на разтвори на алкохоли. Проверка на правилото на траубе
• Определяне на критичната концентрация на мицелообразуване (ККМ)
• Първи вариант - определяне на ККМ на йонно повърхностно активно вещество чрез измерване на специфичната електропроводимост [λ = λ(c_NaDS)]
• Втори вариант - интерферометричен метод за определяне на ККМ чрез зависимостта на коефициента на пречупване от концентрацията на ПАВ [Δn = Δn(c_ПАВ)]

Колоиди

• Дисперсни системи. Класификация
• Молекулно дисперсни системи (МДС)
• Колоидно дисперсни системи (КДС)
• Грубо дисперсни системи (ГДС)
• Класификация на колоидно дисперсните системи
• Според броя на атомите в колоидната частица
• Според размера и структура на колоидната частица
• Според агрегатното състояние на ДС и ДФ
• Според силата на взаимодействие между частиците на ДС и ДФ
• Според степента на взаимодействие между частиците на ДФ
• Методи за получаване на колоидно дисперсии системи
• Дисперсионни
• Механични методи
• Електрични методи
• Ултразвукови методи
• Кондензационни
• Физични процеси
• Химични процеси
• Пречистване на лиофобни колоидни разтвори
• Диализа
• Ултрафилтрация
• Електродиализа
• Решени задачи върху глава Колоиди
• Задачи за самостоятелна работа върху глава Колоиди

Оптични свойства на колоидно дисперсните системи

• Оптични явления при облъчване на колоиден разтвор със светлина
• Разсейване на светлината в колоиден разтвор
• Природа на разсеяната светлина
• Теория на Релей
• Обяснение на оптичните свойства на колоидни разтвори с разсейването на светлината
• Поглъщане на светлината в колоидни системи и хомогенна среда
• Интензитет на преминалата светлина през колоидна система
• Абсорбция на светлина. Закон на Бугер-Ламбер Беер
• Цвят на метални золи
• Методи за изследване на колоидните системи
• Ултрамикроскоп
• Електронна микроскопия
• Атомно силова микроскопия
• Ренгенография
• Нефелометрия и турбидиметрия
• Статично и динамично светоразсейване
• Задачи за самостоятелна работа върху глава Оптични свойства на колоидно дисперсните системи
• Лабораторни упражнения върху глава Оптични свойства на колоидно дисперсните системи
• Тиндалов ефект в емулсията прясно мляко

Молекулно - кинетични свойства на дисперсните системи

• Топлопренасяне
• Дифузия в истински и колоидни разтвори. Брауново движение
• Дифузия в истински разтвори
• Първи закон на Фик
• Втори закон на Фик
• Приложение на законите на Фик във фармацията. Излъчване на лекарствено вещество от лекарствена форма
• Дифузия в колоидни разтвори
• Дифузия и брауново движение
• Опит на Роберт Браун
• Оценка на Екснер
• Теория на Айнщайн
• Проверка на теорията на Айнщайн от Перен
• Седиментация. Дифузионно - седиментационно равновесие
• Седиментация
• Дефиниция и условия за реализиране на седиментация
• Седиментационен поток
• Скорост на седиментация
• Седиментация в центробежно поле
• Дифузионно - седиментационно равновесие
• Сила на вътрешно триене. Вискозитет
• Сила на вътрешно триене
• Вискозитет
• Измерение на вискозитета
• Причини за възникване на вискозитета
• Температурна зависимост на вискозитета. Уравнение на Айнщайн
• Вискозитет на суспензия от сферични частици
• Реология на колоидни системи
• Нютонови системи
• Не нютонови системи
• Системи с пластично поведение
• Системи с псевдопластично поведение
• Системи с дилатантно поведение
• Тиксотропия
• Методи за измерване или изчисляване на вискозитета на дисперсни системи
• Вискозиметър на Оствалд
• ТТФ като прецизен вискозиметър
• Вискозиметър на Стокс
• Ротационен вискозиметър на Кует
• Осмотично налягане на колоидни разтвори. Ефект на Донан
• Осмотично налягане на колоидни разтвори и Донаново равновесие
• Донанов потенциал
• Решени задачи върху глава Молекулно-кинетични свойства на дисперсни системи
• Задачи за самостоятелна работа върху глава Молекулно-кинетични свойства на дисперсни системи
• Лабораторни упражнения върху глава Молекулно-кинетични свойства на дисперсни системи
• Дифузия в гел
• Брауново движение
• Вискозитет на колоидни разтвори. Изоелектрична точка на желатин

Товар на междуфазовата граница. Електрокинетични явления в дисперсните системи. Двоен електричен слой

• Товар на междуфазовата граница
• Електрокинетични явления
• Двоен електричен слой
• Плосък кондензатор по Хелмхолц
• Теория на Гуи и Чапмън за двойния електричен слой
• Дифузен слой по Гуи и Чапмън
• Математичен подход в теория на Гуи и Чапмьн
• Теория на Щерн
• Адсорбционен слой
• Структура на ДЕС
• Дзета потенциал и зависимостта му от концентрацията и валентността на противойона
• Влияние на електролити върху структурата на ДЕС
• Електрофоретични методи
• Електрофореза върху хартия
• Гел електрофореза
• Електрофореза в агарозен гел
• Полиакриламидна гел електрофореза (PAGE)
• Полиакриламидна гел електрофореза (PAGE) с денатуриращ агент
• Електрофореза в полиакриламиден гел с температурен градиент
• 2D гел електрофореза
• Имуноелектрофореза
• Диск електрофореза
• Капилярна електрофореза
• Изотахофореза
• Приложение на електрофоретичните методи в медицината
• Решени задачи върху глава Товар на междуфазовата граница. Електрокинетични явления в дисперсни системи. Двоен електричен слой
• Задачи за самостоятелна работа върху глава Товар на междуфазовата граница. Електрокинетични явления в дисперсни системи. Двоен електричен слой
• Лабораторно упражнение
• Електрофоретично разделяне на смес от аминокиселини

Стабилност на колоидно дисперсните системи

• Процеси и фактори, определящи стабилността
• Тънък течен филм
• Дефиниция и особености на тънкия течен филм
• Термодинамични параметри на тънкия течен филм
• Класическа DLVO-теория
• Ван дер Ваалсов компонент на разклинящото налягане
• Електростатичен компонент на разклинящото налягане
• DLVO-теорията и коагулация
• Кинетика на бързата коагулация
• Образуване и изтъняване на тънък течен филм
• Образуване на тънък течен филм
• Изтъняване на тънък течен филм
• Критерий за стабилност и уравнения за критичната дебелина на тънък течен филм
• не-DLVO компоненти на разклинящото налягане
• Структурно - механична бариера
• Фактори, повлияващи стабилността на хидфилните колоиди

Грубо дисперсни системи

• Суспензии
• Дефиниция за суспензия, класификации и стабилност
• Кинетични свойства на частиците в суспензиите
• Брауново движение
• Седиментация
• Фармацевтични суспензии
• Видове фармацевтични суспензии
• Приготвяне на кинетично стабилна фармацевтична суспензия
• Разтваряне на суспензиите в човешкия организъм
• Емулсии
• Дефиниция за емулсия и класификации
• Типове емулсии
• Видове емулсии
• Методи за определяне на типа на емулсията
• Методи за получаване на емулсии
• Нестабилност на емулсии
• Термодинамична нестабилност
• Кинетична нестабилност
• Флокулацuя
• Седиментация
• Коалесценция и разрушаване
• Химична нестабилност
• Стабилизиране на емулсии
• Приготвяне на стабилна емулсия
• Свойства на емулсиите
• Оптични свойства
• Електрични свойства
• Реологични свойства
• Причини за разрушаване на емулсиите
• Микроемулсия
• Фармацевтични емулсии и приложение
• Гели
• Дефиниция и класификации
• Типове гели
• Според съдържанието на течност в гела
• Според броя на фазите
• Според химичния състав
• Класификация на фармацевтичните полутвърди дисперсии
• Етапи при получаване на гели
• Приложение на гелите във фармацията
• Условия, на които трябва да отговарят фармацевтичните гели
• Свойства на полутвърдите дисперсии
• Хидрофилни
• Реологични
• Реопексия
• Дифузия
• Синериз и набъбване

Решени задачи върху върху глави Стабилност на КДС и Грубо дисперсни системи
Задачи за самостоятелна работа върху глави Стабилност на КДС и Грубо дисперсии системи
Лабораторни упражнения върху глави Стабилност на КДС и Грубо дисперсии системи

• Коагулация в колоиден разтвор под действието на електролити
• Стабилност на пяна
• Емулсии
• Тест по Колоидна химия (с решения)
• Тест по Колоидна химия (самостоятелна работа)

Приложения

• Приложение 1
• Таблица 1. Гръцки букви
• Таблица 2. Представки по система SI
• Таблица 3. Превръщане на някои величини в размерност по система SI
• Приложение 2
• Процеси на междуфазовата граница
• Процеси на фазовата граница течност/газ
• Методи за измерване на повърхностното напрежение (σ)
• Метод за капилярно покачване на течност в капиляр
• Метод на Wilhelmy
• Drop Shape Analysis (DSA) метод
• Сталагмометричен метод
• Определяне на Гибсовата еластичност на адсорбционни слоеве от ПАВ чрез DSA метод
• Повърхностна активност. Повърхностно активни вещества
• Класификации на ПАВ
• Таблица. Формули и търговски наименования на някои от най-използваните ПАВ
• Изводи на уравнения А.76 и А.77 за състоянието на адсорбционния слой
• Уравнение на Фрумкин (А.76)
• Уравнение на ван дер Ваалс (А.77)
• Адсорбция на белтъчни вещества на течни повърхности
• Доказателство за необратимостта на адсорбцията на белтъци
• Методи за измерване на критичната концентрация на мицелообразуване
• Определяне на ККМ на нейонни вещества
• Определяне на ККМ на йонни вещества
• Смесени адсорбционни слоеве. Смесени мицели
• Смесени адсорбционни слоеве от нискомолекулни ПАВ
• Метод на lngram
• Смесени адсорбционни слоеве от белтъци и нискомолекулни ПАВ
• Определяне на степента на свързване на нискомолекулно ПАВ върху молекулата белтък на базата на изотермите на повърхностното напрежение с процедурата на Нишикидо
• Молекулно-кинетични свойства на дисперсните системи
• Методи за измерване или изчисляване на вискозитета на дисперсни системи
• Уравнение на Поазьой. Извод на уравнение (Г.85)
• Извод на дебита на цилиндрична тръба Q. Извод на уравн. (Г.86)
• Осмотично налягане на колоидни разтвори и Донаново равновесие
• Извод на уравн. Г.105
• Товар на междуфазовата граница. Електрокинетични явления в КДС. Двоен електричен слой
• Теория на Гуи и Чапмън за двойния електричен слой
• Извод на уравнение Д.12
• Приложение на електрофоретичните методи в медицината
• Стабилност на колоидно дисперсните системи
• Тънък течен филм
• Термодинамични уравнения за тънък течен филм
• Класическа DLVO-теория
• Ван дер Ваалсов компонент на разклинящото налягане. Извод на уравн. Е.23
• Електростатичен компонент на разклинящото налягане. Извод на уравн. Е.24
• DLVO-теорията и коагулация
• Кинетика на бързата коагулация - извод на уравн. Е.33^I и уравн. Е.33^II
• Интерферометричен метод за изследване на тънки филми
• Определяне на дебелината на пенен филм
• Определяне на скоростта на изтъняване на пенен филм
• Изчисляване на потенциала φ₀ и заряда q₀ на дифузния електричен слой по метода на равновесния филм
• Изчисляване на критичната дебелина на пенен филм по теорията Vrij; по уравнението на Радоев-Шелудко-Мапев (RShM); по уравнението на Coons
• Грубо дисперсни системи
• Суспендиращи агенти и условия на действието им
• Консервантите и диапазон на действието им

Литература

• Основна
• Допълнителна