Учебно-методический материал по физической и коллоидной химии дл

Учебно-методический материал по физической и коллоидной химии для студентов фармацевтического факультета

Содержание дисциплины

№п/п

Наименование раздела дисциплины

Содержание раздела

1.

Введение

Предмет, задачи и методы физической и коллоидной химии. Основные этапы развития и место физической и коллоидной химии среди других наук. Значение для фармации. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии физической и коллоидной химии.

2.

Химическая термодинамика

Предмет и методы химической термодинамики. Основные понятия и определения: системы, состояние системы, функции состояния и функции процесса. Внутренняя энергия системы. Теплота. Работа. Химическая термодинамика как теоретическая основа биоэнергетики.

Первое начало термодинамики. Энтальпия. Термохимия. Закон Гесса. Изобарный и изохорный тепловые эффекты. Следствия из закона Гесса. Термохимические уравнения. Стандартные энтальпии образования и сгорания веществ. Термохимические расчеты и их использование для энергетической характеристики биохимических процессов. Зависимость энтальпии реакции от температуры, уравнение Кирхгофа.

Второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Процесс жизнедеятельности как пример необратимых процессов. Формулировки, аналитическое выражение второго закона термодинамики. Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Энтропия, ее статистическое толкование и ее связь с термодинамической вероятностью состояния системы. Формула Больцмана. Изменение энтропии как критерий самопроизвольности процессов и равновесия в изолированных средах.

Термодинамические потенциалы. Энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал). Энергия Гельмгольца (изохорно-изотермический потенциал). Расчет энергии Гиббса, энергии Гельмгольца и их использование в качестве критериев направленности процессов в неизолированных системах. Энтальпийный и энтропийный факторы. Понятие о химическом потенциале и химическом сродстве.

Организм как открытая система. Стационарное состояние организма. Применимость основных закономерностей термодинамики к живым организмам.

Химическое равновесие. Закон действующих масс. Константа химичеcкого равновесия; способы ее выражения (Kp, KC) и связь между ними. Смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье. Уравнение изотермы химической реакции. Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнение изобары и изохоры Вант-Гоффа.

3.

Термодинамика фазовых равновесий

Основные понятия: фаза, составляющие вещества, компоненты. Число компонентов, число степеней свободы. Правило фаз Гиббса. Фазовые превращения и равновесия: испарение, сублимация, плавление, изменение аллотропной модификации.

Однокомпонентные системы. Диаграммы состояния однокомпонентных систем (вода, сера). Уравнение Клапейрона – Клаузиуса.

Двухкомпонентные системы. Идеальные и реальные растворы. Давление насыщенного пара над растворами. Закон Рауля. Положительное и отрицательное отклонение от закона Рауля. Диаграммы равновесия «Ж−П» в двухкомпонентых системах. Законы Коновалова. Азеотропные растворы с максимумом и минимумом температуры кипения. Перегонка. Взаимная растворимость жидкостей (ограниченно растворимые жидкости).

Диаграммы состояния «Т – Ж» в двухкомпонентных системах. Диаграммы плавкости бинарных систем: а) системы растворимые в жидком состоянии и нерастворимые в твердом состоянии; б) системы, образующие устойчивые химические соединения. Термический анализ. Кривые охлаждения и построение на их основе диаграмм состояния. Использование правила фаз Гиббса для анализа диаграмм состояния.

Трехкомпонентные системы. Способы определения состава трехкомпонентных систем. Трехкомпонентные системы, образованные тремя жидкостями. Распределение третьего вещества в двухфазной системе. Закон распределения Нернста. Коэффициент распределения. Экстракция. Принципы получения настоек и отваров.

4.

Термодинамика разбавленных растворов

Коллигативные свойства растворов: понижение давление насыщенного пара, повышение температуры кипения, понижение температура замерзания растворов зависимость их от концентрации растворов. Эбулиоскопическая и криоскопическая постоянные, их физический смысл. Практическое использование этих свойств.

Осмос и осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа. Изо-, гипо-, и гипертонические растворы. Роль осмоса в живых организмах. Явления плазмолиза, гемолиза, тургора.

Взаимосвязь между коллигативными свойствами разбавленных растворов нелетучих неэлектролитов. Практическое использование методов криометрии, эбулиометрии и осмометрии.

Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент.

5.

Электрохимия

Ионные равновесия в растворах. Теория растворов сильных электролитов Дебая и Хюккеля. Понятие об ионной атмосфере. Активность ионов и ее связь с концентрацией. Коэффициент активности и зависимость его величины от общей концентрации электролитов в растворе.

Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель. Буферные растворы и механизм их действия. Буферная емкость и факторы, влияющие на ее величину. Практическое и биологическое значение буферных систем. Методы определения рН растворов.

Электропроводность растворов. Проводники первого и второго рода. Удельная, молярная и эквивалентная электропроводность, факторы, от которых они зависят. Подвижность ионов, абсолютная скорость движения ионов. Закон Кольрауша. Кондуктометрическое титрование и его применение в фармацевтической практике.

Физикохимия электродных процессов. Механизм образования двойного электрического слоя на границе раздела металл – раствор. Электродный потенциал, зависимость его от температуры и концентрации раствора. Уравнение Нернста.

Классификация электродов: а) электроды сравнения (водородный, хлорсеребряный); б)индикаторные электроды (водородный, стеклянный). Ионселективные электроды, их применение в биологии, медицине и фармации.

Гальванические элементы: химические, концентрационные. Теоретический расчет ЭДС гальванических элементов. Компенсационный метод измерения ЭДС. Электрометрический метод измерения pH растворов. Потенциометрическое титрование. Полярография. Значение этих методов в фармацевтической практике.

6.

Кинетика

Предмет и методы химической кинетики. Основные понятия.. Скорость гомогенных химических реакций и методы ее измерения. Зависимость скорости реакции от различных факторов.

Влияние концентрации. Закон действующих масс. Молекулярность и порядок реакции. Уравнения кинетики реакций нулевого, первого и второго порядков. Период полупревращения. Методы определения порядка реакции.

Влияние температуры. Правило Вант-Гоффа. Температурный коэффициент скорости реакции. Уравнение Аррениуса. Энергия активации, ее определение на основе экспериментальных данных. Ускоренные методы определения срока годности лекарственных препаратов. Влияние различных факторов на процессы деструкции лекарственных веществ. Способы расчета сроков годности лекарственных веществ.

Теории химической кинетики: Теории химической кинетики: теория активных соударений, стерический фактор. Теория активированного комплекса. Энергия активации активированного комплекса. Расчет константы скорости реакции.

Катализ. Общие закономерности катализа. Типы катализа: гомогенный, гетерогенный, ферментативный. Механизм действия катализатора. Гомогенный катализ, общие кинетические закономерности. Гетерогенный катализ, основные его стадии. Теории гетерогенного катализа: (теория активных центров, теория мультиплетов А.А. Баландина, теория активных ансамблей Н.И. Кобозева). Ферментативный катализ и его особенности. Константа Михаэлиса. Роль промоторов и ингибиторов в катализе.

Основные понятия кинетики сложных реакций: обратимые, параллельные, последовательные, сопряженные. Превращения лекарственного вещества в организме как совокупность последовательных процессов. Константа всасывания и константа элиминации. Фотохимические реакции, закон эквивалентности Эйнштейна. Квантовый выход реакции. Цепные реакции (неразветвленные и разветвленные), их механизм.

Роль кинетических закономерностей в фармацевтической практике.

7.

Физикохимия поверхностных явлений

Термодинамика поверхностного слоя. Поверхностные явления и их значение в фармации. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение.

Адсорбция на границе раздела Ж–Г, Ж–Ж. Уравнение Гиббса и его анализ. Поверхностно-активные (ПАВ), поверхностно-инактивные (ПИВ) и поверхностно-неактивные (ПНВ) вещества. Свойства и особенности ПАВ. Поверхностная активность. Правило Дюкло — Траубе. Мембраны на основе ПАВ. Возможности использования поверхностных явлений для приготовления лекарственных форм.

Адсорбция на границе раздела Т–Г, Т–Ж. Теории адсорбции (Ленгмюра, Поляни, БЭТ). Факторы, влияющие на величину адсорбции. Уравнения Фрейндлиха и Лэнгмюра, определение их констант по экспериментальным данным.

Адсорбция электролитов из растворов. Эквивалентная и избирательная адсорбция ионов. Правило Панета – Фаянса. Ионообменная адсорбция. Иониты и их классификация. Применение ионитов в фармации.

Хроматография. Классификация хроматографических методов по технике выполнения и механизму процесса. Применение хроматографии для разделения и анализа лекарственных веществ. Гель-фильтрация.

8.

Физикохимия дисперсных систем

Дисперсные системы. Дисперсная фаза и дисперсионная среда. Степень дисперсности. Классификация дисперсных систем. Конденсационные и диспергационные методы получения дисперсных систем. Очистка коллоидных растворов. Диализ, электродиализ, ультрафильтрация.

Молекулярно-кинетические и оптические свойства. Броуновское движение, диффузия и осмотическое давление. Седиментационная устойчивость и седиментационное равновесие. Ультрацентрифуга и ее применение для исследования коллоидных систем. Ультрамикроскопия и электронная микроскопия коллоидных систем.

Электрический заряд коллоидных частиц. Механизм возникновения электрического заряда коллоидных частиц. Строение двойного электрического слоя. Электрокинетический потенциал, уравнение Гельмгольца-Смолуховского. Строение мицеллы. Влияние электролитов на величину электрокинетического потенциала. Электрокинетические явления. Электрофорез. Электрофоретические методы исследования в фармации. Электроосмос. Практическое применение электроосмоса.

Устойчивость и коагуляция дисперсных систем. Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем. Факторы устойчивости. Коагуляция медленная и быстрая. Порог коагуляции, его определение. Правило Шульце–Гарди. Коагуляция золей смесями электролитов. Теория устойчивости дисперсных систем (теория ДЛФО). Коллоидная защита. Пептизация. Взаимная коагуляция коллоидов.

Виды дисперсных систем. Аэрозоли, их классификация. Получение аэрозолей. Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей. Электрические свойства. Разрушение аэрозолей. Применение аэрозолей в фармации.

Порошки и их свойства. Слеживаемость, гранулирование и распыляемость порошков.

Суспензии, их получение и свойства. Седиментация и флотация суспензий. Седиментационный анализ суспензий. Пасты.

Эмульсии. Методы получения и свойства. Типы эмульсий. Эмульгаторы и механизм их действия. Обращение фаз эмульсий. Агрегативная устойчивость и ее нарушения. Коалесценция. Свойства высококонцентрированных эмульсий. Применение эмульсий и суспензий в фармации.

Мицеллообразование в растворах ПАВ. Мыла, детергенты и таниды. Критическая концентрация мицеллообразования и ее определение. Солюбилизация и ее значение в фармации. Мицеллярные коллоидные системы в фармации.

Высокомолекулярные соединения. Классификация ВМС, методы получения.

Набухание и растворение ВМС. Механизм и виды набухания. Термодинамика набухания и растворения ВМС. Влияние различных факторов на величину набухания.

Вязкость растворов ВМС. Относительная, удельная, приведенная и характеристическая вязкость. Уравнение Эйнштейна, Штаудингера и Марка–Куна–Хаувинка. Определение молекулярной массы полимеров вискозиметрическим методом.

Полимерные неэлектролиты и полиэлектролиты. Полиамфолиты. Изоэлектрическая точка полиамфолита и методы ее определения.

Осмотическое давление растворов полимерных неэлектролитов. Отклонение от закона Вант-Гоффа. Определение молярной массы полимерных неэлектролитов. Осмотическое давление растворов полиэлектролитов. Мембранное равновесие Доннана.

Факторы устойчивости растворов ВМС. Высаливание, пороги высаливания. Лиотропные ряды ионов. Зависимость высаливания полиамфолита от рН среды. Коацервация, ее биологическое значение. Застудневание (гелеобразование). Влияние различных факторов на скорость застудневания. Тиксотропия. Синерезис. Факторы, влияющие на застудневание, набухание, тиксотропию, синерезис, коацервацию и вязкость растворов.

Лабораторный практикум

№ п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторных работ

Трудоемкость

(час.)

2 семестр

1.

1

Проведение инструктажа по технике безопасности. Основные требования при выполнении лабораторных работ. Установочный контроль по разделам математики, физики, используемым в курсе физической химии.

2.33

2

2

Расчет тепловых эффектов химической реакции по термодинамическим данным. Зависимость тепловых эффектов химических реакций от температуры.

2.33

3

2

Определение тепловых эффектов калориметрическим методом. Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием. Определение интегральной теплоты растворения соли.

2.33

4.

2

Изучение равновесия гомогенной реакции в растворе.

2.33

5

2

Определение направления протекания процесса по термодинамическим данным в изобарно-, изохорно-термическом процессах. Расчет константы равновесия.

2.33

6

2

Отчет по лабораторным работам. Тест-контроль. Собеседование по вопросам раздела «Химическая термодинамика»

2.33

7

3

Анализ диаграмм состояния одно- и двухкомпонентных систем.

2.33

8

3

Построение диаграммы плавкости бинарной системы с простой эвтектикой.

2.33

9

3

Изучение взаимной растворимости фенола и вода.

2.33

10

3

Отчет по лабораторным работам. Тест-контроль. Собеседование по вопросам раздела «Термодинамика фазовых равновесий».

2.33

11

4

Коллигативные свойства разбавленных растворов неэлектролитов и электролитов. Роль осмоса в живых организмах.

2.33

12

4

Определение молярной массы мочевины криометрическим методом.

2.33

13

4

Отчет по лабораторным работам. Аудиторная контрольная работа. Собеседование по вопросам раздела «Коллигативные свойства растворов».

2.33

14

5

Изучение влияния концентрации электролита и природы электрода на значение электродного потенциала.

2.33

15

5

Измерение ЭДС гальванического элемента

2.33

16

5

Потенциометрическое измерение окислительно-восстановительных потенциалов. Редокс-системы.

2.33

17

5

Определение константы диссоциации слабой кислоты потенциометрическим методом

2.33

18

5

Отчет по лабораторным работам. Тест-контроль. Собеседование по вопросам раздела «Электрохимия»

2.33

3 семестр

19

6

Основные поняти Основные понятия химической кинетики: скорость реакции, константа скорости, период полупревращения.

2.33

20

6

Влияние температуры на скорость химической реакции. Деструкция лекарственных веществ. Расчет температурного коэффициента и энергии активации. Способы расчета сроков годности лекарственных веществ.

2.33

21

6

Исследование зависимости скорости разложения тиосульфата натрия от концентрации и температуры.

2.33

22

6

Основные виды катализа. Особенности ферментативного катализа. Исследование скорости гидролиза мочевины в присутствии фермента уреазы различными методами.

2.33

23

6

Определение оптимальных условий синтеза аммиака из простых веществ. Занятие проходит в режиме проблемного.

2.33

24

6

Отчет по лабораторным работам. Тест-контроль. Собеседование по вопросам раздела «Кинетика химических реакций. Катализ»

2.33

25

7

Основные свойства и особенности поверхностно-активных веществ. Анализ уравнений Гиббса, Шишковского, правила Дюкло-Траубе

2.33

26

7

Измерение поверхностного натяжения и исследование поверхностной активности в гомологическом ряду.

2.33

27

7

Адсорбция на твердой поверхности. Расчет констант адсорбции по уравнениям Ленгмюра и Фрейндлиха. Особенности адсорбции из растворов.

2.33

28

7

Адсорбция уксусной кислоты на активированном угле.

2.33

29

7

Отчет по лабораторным работам. Тест-контроль. Собеседование по контрольным вопросам «Физикохимия поверхностных явлений».

2.33

30

8

Дисперсные системы и их основные свойства: молекулярно-, электрокинетические свойства.

2.33

31



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | Вперед → | Последняя | Весь текст