ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕКЦИЯ 1

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕКЦИЯ 1

Содержание лекции 1. Предмет, задачи и структура курса. 2. Источники информации и требования 3. к студентам. 4. 3. Краткая история и современное состояние коллоидной химии. 5. 4. Количественные характеристики дисперсных систем. 6. 5. Классификация дисперсных систем. 7. 6. Особенности пищевых дисперсных систем.

Место дисциплины в системе наук Химические технологии Пищевые технологии ПЯ и ДС Биотехнологии Физическая химия Химические науки Физические науки

О коллоидной химии «Вопросы коллоидной химии должно считать передовыми и могущими иметь значение во всей физике и химии» (Д. И. Менделеев) «Коллоидная химия опирается на физхимию и как купол венчает здание физической химии, соединяя его стены – термодинамику, химическое равновесие, кинетику, электрохимию и др. » (П. А. Ребиндер) «Проблемы кулинарии являются ничем иным, как практическим применением коллоидной химии» (Г. Бехгольд) «Человек – это ходячий коллоид» (Н. И. Жуков)

Основные понятия ПЯ – физико-химические процессы, протекающие на границе раздела фаз и вызванные избытком поверхностной энергии. ДС – гетерогенные системы, состоящие по меньшей мере из двух фаз, одна из которых находится в раздробленном (дисперсном) состоянии. Дисперсная система Дисперсная фаза Дисперсионная среда

Объекты коллоидной химии ПЯ ДС (адгезия, смачивание, адсорбция, возникновение ДЭС) (высоко, средне- и грубодисперсные системы) … Адсорбция на границе Ж-Г Т-Ж Свойства ДС … (молекулярно-кинетические, оптические, структурномеханические, электрокинетические) Т-Г ионная Средне- и грубодисперсные суспензии … молекулярная … пены … ионообменная жидкие Электрокинетические свойства … электроосмос пасты электрофорез … твердые …

Задачи изучения дисциплины Знать: Уметь: 1. Основные закономерности ПЯ 1. Применять понятийнотерминологический аппарат и методы КХ для разработки новых пищевых продуктов 2. Владеть методами исследования пищевых ДС 3. Иметь навыки работы с лабораторным оборудованием для изучения ПЯ и ДС 4. Проводить технологические расчеты на основе фундаментальных законов КХ и полученных экспериментальных данных 2. Типы ДС и способы их классификации 3. Теоретические основы образования и разрушения ДС 4. Электрокинетические, молекулярно-кинетические и оптические свойства ДС 5. Основы реологии пищевых масс 6. Коллоидно-химические свойства пищевого сырья, полуфабрикатов и готовой продукции

Перечень лабораторных работ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИИ ИЗ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ НА ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ИОННООБМЕННАЯ АДСОРБЦИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТОЧКИ РАСТВОРОВ АМФОТЕРНЫХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ СИНТЕЗ ГИДРОЗОЛЯ И ИЗУЧЕНИЕ ЕГО КОАГУЛЯЦИИ ПОЛУЧЕНИЕ ЭМУЛЬСИЙ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ СВОЙСТВ ПОЛУЧЕНИЕ ПЕН И ИЗУЧЕНИЕ ИХ УСТОЙЧИВОСТИ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Основные источники информации

Дополнительная литература 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Зимон А. Д. Занимательная коллоидная химия. – М. : Радэкон, 1997, 193 с. Килимник А. Б. , Климов А. М. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебное пособие. – Тамбов, ТГТУ, 2002, 80 с. Муратова Е. И. , Зюзина О. В. Физико-механические свойства сырья и готовой продукции: Учебное пособие. – Тамбов, ТГТУ, 2000, 80 с. Пальтиэль Л. Р. , Зенин Г. С. , Волынец Н. Ф. Физическая химия. Поверхностные явления и дисперсные системы: Учебное пособие. – СПб. : СЗТУ, 2004. – 68 с. [Электронный ресурс] Практикум по коллоидной химии: Учебное пособие. / Под ред. М. И. Гельфмана. – СПб. : Изд-во «Лань» , 2005. – 256. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. – М. : Химия, 1989, 463 с. Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии. – М. : Академия, 2006, 240 с. Щукин Е. Д. , Перцов А. В. , Амелина Е. А. Коллоидная химия. – М. : Высшая школа, 2007, 444 с.

Периодическая литература Коллоидный журнал Журнал физической химии Биотехнология Пищевая технология. Известия вузов. Вестник Тамбовского государственного технического университета Естественные и технические науки

Internet-ресурсы http: //www. tstu. ru/r. php? r=education (электронная библиотека ТГТУ) http: //www. tstu. ru/ Студентам и преподавателям Репозиторий | http: //www. chemnet. ru/rus/teaching/colloid/welcome. html (сайт химического факультета МГУ. Методические разработки к практикуму по коллоидной химии) http: //www. physchem. chimfak. rsu. ru/Source/Books. html (сайт кафедры физической и коллоидной химии Южного федерального университета. Учебные пособия по физической и коллоидной химии. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. Л. : Химия, 1984. Захарченко В. Н. Коллоидная химия. М. : ВШ, 1979) http: //djvu-inf. narod. ru/nclib. htm (электронные химические библиотеки)

История коллоидной химии I этап - Зарождение КХ (II тыс. до н. э. - сер. XIX в. ) Ученые Вклад в развитие науки М. В. Ломоносов (1750 г. ) Разработка технологии окраски стекол коллоидными пигментами Ф. Фонтана, К. Шееле (1777 г. ) Изучение адсорбции газов Т. Е. Ловиц (1785 г. ) Изучение адсорбции примесей из растворов древесным углем Ф. Рейс (1808 г. ) Открытие электрокинетических явлений И. Берцелиус (1824 -1834 гг. ) Изучение свойств суспензий Ф. Сельми (1840 -1860 гг. ) Открытие специфических молекулярнокинетических и оптических свойств КС М. Фарадей (1857 г. ) Получение золей металлов

История коллоидной химии II этап – Выделение в отдельную науку (1860 -1900 гг. ) Ученые Вклад в развитие науки Т. Грэм (1861 г. ) Введение терминов: «коллоиды» и «кристаллоиды» , «золь» , «гель» . Получение и очистка КС диализом И. Г. Борщев (1868 г. ) Изучение молекулярно-кинетических свойств КС, количественных отличий коллоидов от кристаллоидов Дж. Тиндаль (1868 г. ) Открытие явления опалесценции Д. И. Менделеев (1890 г. ) Доказательство универсальности коллоидного состояния веществ У. Гиббс (18701905 гг. ) Изучение термодинамики поверхностных явлений

III этап – Теоретическое объяснение сущности ПЯ и промышленное применение ДС (1900 - …) Ученые Вклад в развитие науки М. С. Цвет (1903 г. ) Открытие хроматографии П. Веймарн (1906 -1910 г. ) Доказательство универсальности коллоидного и кристаллоидного состояний А. Эйнштейн (1906 г. ) Молекулярно-кинетические свойства ДС М. Смолуховский (1908 -1909 гг. ) Изучение кинетики коагуляции ДС Л. Ленгмюр (1917 г. ), Г. Фрейндлих (1926 г. ) Разработка теории адсорбции и количественных характеристик процесса Г. Гуи, Д. Чапмен, О. Штерн (1910 -1924 гг. ) Теории строения двойного электрического слоя К. К. Гедройц (1912 -1932 гг. ) Установление связи между плодородием почв и их коллоидными свойствами Н. П. Песков (1932 г. ) Изучение устойчивости дисперсных систем П. А. Ребиндер (1947 -1963 гг. ) Изучение структурообразования и реологических свойств ДС

Основные признаки дисперсных систем Гетерогенность (многофазность) – признак, указывающий на наличие межфазной поверхности. КХ изучает процессы и явления, локализованные на межфазных границах. Дисперсность (раздробленность) – признак, указывающий на наличие в системе частиц, распределенных в объеме сплошной среды. Дисперсность определяется размером и геометрией раздробленной фазы. Термодинамическая неравновесность – обусловлена дисперсностью и гетерогенностью объектов коллоидной химии.

Количественные характеристики дисперсных систем Характеристика Обозначение Размер частиц d, a , [м] Дисперсность Удельная поверхность Д=1/d, [м-1] Sудm=S/m, [м 2/кг], Sудv=S/ V, [м-1] Взаимосвязь количественных характеристик d= 10 мкм Д=100000 м-1 Sудm=500 м 2/кг

Геометрия дисперсных систем Порошки, капли, пузырьки Капилляры, волокна, нити Пленки, мембраны

Классификация дисперсных систем 1. По дисперсности (грубодисперсные, среднедисперсные, высокодисперсные) 2. По агрегатному состоянию (с твердой, жидкой, газовой дисперсной фазой и дисперсионной средой) 3. По межфазному взаимодействию (лиофобные, лиофильные) 4. По взаимодействию между частицами (свободнодисперсные, связнодисперсные)

Классификация дисперсных систем по степени дисперсности Наименование системы Размер, м Примеры Грубодисперсные системы (суспензии, взвеси) >10 -5 Растворы крахмала и муки, соки с мякотью, крупы Среднедисперсные системы (эмульсии, аэрозоли, порошки) 10 -5÷ 10 -7 Молоко, какао, сахарная пудра, мучная пыль Высокодисперсные системы (золи) <10 -7 Молочная сыворотка, неосветленное пиво Истинные растворы 10 -10 Растворы сахара и соли

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию Дисперсионная среда Дисперсные системы для дисперсных фаз Твердых Жидких Газовых Т/Ж (золи, суспензии, гели, пасты) Ж/Ж (эмульсии, кремы) Г/Ж (газовые эмульсии, пены) Твердая Т/Т (твердые золи, сплавы) Ж/Т (твердые эмульсии, пористые тела) Г/Т (твердые пены, пористые тела) Газовая Т/Г (дым, пыль, порошки) Ж/Г (туман, капли) Г/Г (маловероятны, образуются за счет флуктуации плотности) Жидкая

Классификация дисперсных систем по межфазному взаимодействию Лиофобные системы (90%) Характеризуются отсутствием или слабым взаимодействием между ДФ и ДС, термодинамической неустойчивостью, неспособностью к самопроизвольному диспергированию. При их получении необходимо водить стабилизаторы – вещества, способных снижать термодинамическую неустойчивость на межфазных границах. Лиофильные системы (10%) Характеризуются интенсивным взаимодействием ДФ и ДС, термодинамической устойчивостью, способностью к самопроизвольному диспергированию. Представителями являются растворы ПАВ и ВМС.

Классификация дисперсных систем по взаимодействию между частицами Свободнодисперсные Системы, в которых частицы ДФ свободно перемещаются по всему объему системы. Представителями являются аэрозоли, разбавленные эмульсии. Связнодисперсные Системы, в которых контактирующие частицы ДФ образуют каркас, сообщающий этим системам прочность и другие структурно-механические свойства. Представителями являются гели, студни, твердые золи и пены, концентрированные эмульсии.

Особенности пищевых дисперсных систем Особенность Полидисперсность Многофазность Многокомпонентность фаз Примеры Мука высшего сорта d – 1 -30 мкм, сахар-песок d – 0, 4 -2, 5 мм Дрожжевое тесто: Т, Ж, Г/Ж Жидкая фаза теста представлена водорастворимыми белками, декстринами, моно-и дисахарами, солями, капельками жиров Изменение вида ДС Сахарная свекла(Т, Ж, Г/Т) -> в ходе технологического диффузионный сок(Т/Ж) -> сахар-песок(Т/Г) процесса

Вопросы к лекции 1 Что является объектом изучения коллоидной химии? Какие явления называются поверхностными? Приведите примеры. 3. Какие системы называются дисперсными? Приведите примеры. 4. Назовите основные признаки дисперсных систем. 5. Кого из ученых называют «отцом» коллоидной химии? 6. Перечислите основные этапы развития коллоидной химии. 7. По каким признакам классифицируют дисперсные системы? 8. Назовите количественные характеристики дисперсных систем. 9. Как меняются свойства дисперсных систем в зависимости от дисперсности? 10. В чем заключаются особенности пищевых дисперсных систем? 1. 2.