ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
"КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ"
для студентов биологических факультетов

Специальность: 012200 – Биофизика.

Объем курса 18 часов.

ВВЕДЕНИЕ

Основные направления современной коллоидной химии - науки, изучающей условия возникновения, особые свойства, устойчивость дисперсных систем и поверхностные явления в таких системах. Роль дисперсного состояния вещества в живой природе и в различных отраслях современной техники.

Классификация дисперсных систем по интенсивности межфазных молекулярных взаимодействий, размерам частиц дисперсной фазы, агрегатному состоянию фаз и способности образовывать дисперсные структуры. Характерные особенности лиофильных и лиофобных коллоидных систем, сходство и различие между ними, а также растворами и дисперсиями высокомолекулярных соединений. Биоколлоиды.

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

Коллоидно-химические аспекты современных биофизических, биологических проблем и медицины, охрана окружающей среды.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗДЕЛА ФАЗ

Поверхность раздела фаз; ее силовое поле. Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение) как характеристика этого поля; молекулярное (внутреннее) давление. Основы термодинамики поверхностных явлений по Гиббсу. Влияние температуры на величину поверхностного натяжения в чистых однокомпонентных жидкостях на границе с собственным паром. Критическая температура по Менделееву.

Межфазное натяжение на границе раздела насыщенных растворов двух взаимно-ограниченно растворимых жидкостей; правило Антонова. Свободная поверхностная энергия твердых тел, специфика ее проявления.

Явления капиллярности и смачивания. Термодинамические условия смачивания и растекания (полного смачивания) на твердых и жидких поверхностях. Количественные характеристики смачивания: краевой угол, теплота смачивания, работа адгезии. Избирательное смачивание. Лио-(гидро-)фильные и лио-(гидро-)фобные поверхности. Роль явлений смачивания в живой природе. Капиллярное давление. Первый закон Лапласа. Зависимость давления насыщенного пара и растворимости от кривизны поверхности раздела сосуществующих фаз (закон Томсона (Кельвина)). Самопроизвольные процессы собирательной рекристаллизации, изотермической перегонки вещества, капиллярной конденсации. Роль капиллярных явлений в биологии и агротехнике.

Методы измерения поверхностного натяжения на легкоподвижных границах раздела фаз. Экспериментальное и теоретическое определение поверхностной энергии твердых тел.

АДСОРБЦИОННЫЕ СЛОИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Адсорбция из растворов на поверхности раздела фаз. Адсорбционное уравнение Гиббса. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества на разных межфазных границах. Правило уравнивания полярностей Ребиндера.

Зависимость поверхностного натяжения от концентрации раствора ПАВ; поверхностная активность. Уравнение Шишковского. Специфика поверхностной активности природных поверхностно-активных веществ – био-ПАВ (белков, ферментов, липидов, гликолипидов, липополипептидов и т.д.).

Изотерма мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. Связь уравнения Ленгмюра и Шишковского. Адсорбционная активность ПАВ. Работа адсорбции, зависимость ее от природы растворенных веществ, растворителя, структуры поверхности раздела, определяемой молекулярной природой соприкасающихся фаз. Гидрофобные взаимодействия. Движущие силы адсорбции ПАВ из водных и неводных растворов. Теоретическое обоснование правила Дюкло-Траубе.

Двумерное состояние вещества в адсорбционном слое. Слои малорастворимых ПАВ на поверхности воды. Весы Ленгмюра. Двумерное (поверхностное) давление. Уравнение двумерного состояния. Строение адсорбционных слоев; определение молекулярных констант органических ПАВ. Адсорбционные методы определения удельной поверхности адсорбентов.

Ленгмюровские пленки как модели организованных структур. Специфика двумерного состояния биополимеров.

Изотерма двумерного давления биологически-активных веществ (ферменты, белки, липиды, жирные кислоты, желчные соли, лекарственные вещества).

Лиофобизация и лиофилизация твердых поверхностей. Влияние адсорбционных слоев ПАВ на смачивание, растекание, адгезию. Роль природных ПАВ в биотехнологии.

Органические поверхностно-активные вещества (ПАВ), их классификация по молекулярому строению (анион-, катионактивные, амфолитные, неионогенные, низко-, высокомолекулярные) и по механизму действия (смачиватели, диспергаторы, стабилизаторы, моющие вещества). Представление о гидрофильно-липофильном балансе молекул ПАВ. Проблема биоразлагаемости ПАВ.

ЛИОФИЛЬНЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Лиофильные коллоидные системы - термодинамически стабильные ультрамикрогетерогенные дисперсные системы. Критерий Ребиндера–Щукина самопроизвольного диспергирования объемных фаз.

Мыла и ВМС, способные образовывать лиофильные коллоидные системы. Самопроизвольное диспергирование кристаллов мыл и полимеров в растворителях. Диаграмма Крафта. Самопроизвольная ассоциация молекул ПАВ в растворах. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), методы ее определения. Строение мицелл в лиозолях ионогенных и неионогенных ПАВ.

Основы термодинамики мицеллообразования в водных и неводных средах. Роль гидрофобных взаимодействий при образовании гидрозолей ПАВ и глобулизации белков в водной среде. Понятие о везикулах (липосомах).

Физико-химическое обоснование причин переходов от изотропных лиозолей мыл к пространственному структурообразованию при повышенных пересыщениях в лиофильной дисперсной системе (влияние концентрации, температуры, модифицирующих добавок). Жидкокристаллические состояния (мезоморфные фазы); коацерваты.

Солюбилизация - растворение олеофильных веществ в мицеллах мыл и глобулярных белках; термодинамика этого процесса; микроэмульсии. Роль гидрофобных взаимодействий в процессе обмена и переноса липидных веществ в организме. Внутримицеллярная растворимость воды в неводных системах ПАВ. Фермент – субстратные взаимодействия как пример биогетерогенного процесса.

Солюбилизация в технологических процессах и биологических системах (эмульсионная полимеризация, моющее действие, мицеллярный катализ, производство "растворимых масел", жидких лекарственных композиций).

Роль поверхностно-активных коллоидов – мицеллярных "растворов" солей жирных кислот в процессе ассимиляции жиров организмом.

Коллоидно-химические основы применения ПАВ в медицине при получении заменителей крови (на основе тонкодисперсных эмульсий перфторсоединений), при направленном переносе лекарств в липосомах; при микрокапсулировании жидкостей и жирорастворимых витаминов.

Моделирование ферментативного катализа in vivo путем изучения ферментативной активности солюбилизированных белков в обращенных мицеллах ПАВ in vitro.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

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

Современные представления о структуре двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Электрокинетический потенциал. Двойной электрический слой частиц лиофобных золей (мицелл), белков и полиэлектролитов. Влияние индифферентных и неиндифферентных электролитов и специфической адсорбции на электрокинетический потенциал. Перезарядка поверхности. Изоэлектрическое и изоионное состояние.

Методы изучения электрокинетических явлений и измерения электрокинетического потенциала. Уравнение Гельмгольца-Смолуховского.

УСТОЙЧИВОСТЬ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Агрегативная и седиментационная устойчивость дисперсных систем. Нарушение агрегативной устойчивости вследствие протекания самопроизвольных процессов коагуляции, коалесценции, изотермической перегонки.

Расклинивающее давление по Дерягину. Межмолекулярные взаимодействия в дисперсных системах; молекулярная составляющая расклинивающего давления. Электростатическая составляющая расклинивающего давления.

Форма агрегативной устойчивости лиофобных дисперсных систем. Эффект Марангони–Гиббса (эффективная упругость адсорбционных слоев) как фактор стабилизации пленок, пен, эмульсий. Стабилизирующее действие двойных диффузных слоев ионов. Структурно-механический барьер по Ребиндеру как фактор сильной стабилизации.

Коагуляция лиофобных золей электролитами: основы теории Дерягина–Ландау–Фервея–Овербека. Правило Шульце–Гарди. Зоны устойчивости при перезарядке коллоидных частиц. Пептизация. Взаимная коагуляция золей. Флокуляция золей полиэлектролитами. Высаливание белков при добавлении электролитов. Явление коацервации, его роль в биологических процессах.

Эмульсии, их классификация и методы получения. Стабилизация эмульсий; обращение фаз.

Пены, методы получения, устойчивость. Пленки как элемент пен и эмульсий. Устойчивость "черных" пленок. Двусторонние пленки белков и липидов.

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ, РЕОЛОГИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Развитие пространственных структур в дисперсных системах. Типы дисперсных структур. Природа контактов между элементами структуры; прочность дисперсной структуры. Образование кристаллизационно-коагуляционных дисперсных структур при выделении и срастании частиц новой фазы.

Дисперсные структуры, формирующиеся в растворах высокомолекулярных соединений. Образование и строение гелей белков (на примере перехода желатин–коллаген). Конформационные превращения в процессе структурообразования и роста новой фазы в лиофильных дисперсных системах. Явление синерезиса и набухания. Коллоидные свойства протоплазмы.

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

Способы описания структурно-механических свойств дисперсных систем. Реологические модели: упругость, вязкость, пластичность. Уравнение Ньютона. Понятие о релаксации напряжения и упругом последействии; вязко-пластическое поведение, уравнение Бингама.

Реологические свойства дисперсных систем. Уравнение Эйнштейна; причины аномалии вязкости дисперсных систем, эффективная вязкость. Полная реологическая кривая дисперсной системы с коагуляционной структурой. Тиксотропные свойства коагуляционных структур; роль тиксотропии в живой природе и технологических процессах. Реологические особенности структур биополимеров в объеме и на границах раздела фаз. Реология крови.

КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Способы очистки гидросферы (воды) от коллоидных загрязнений (коагуляция, флокуляция, фильтрование и ультрафильтрация, центрифугирование).

Очистка воды от поверхностно-активных и различных токсичных водорастворимых загрязнений (пенная сепарация, адсорбция, ионный обмен, введение аморфизованных зародышей кристаллизации, солюбилизация).

ЛИТЕРАТУРА

Основная

Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. Учебник. М.: Высш. шк., 1992.

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

Захарченко В.Н. Коллоидная химия. Учебник. М.: Высш. шк., 1989.

Дополнительная

Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979.

Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Учебник. М.: Химия, 1989.

Измайлова В.Н., Ямпольская Г.П., Сумм Б.Д. Поверхностные явления в белковых системах. М.: Химия, 1988.

Программу составили:
З.Н.Маркина, доц.;
Л.И.Лопатина, доц.
(Московский государственный университет)