Цели изучения дисциплины «Физическая и коллоидная химия»
Фундаментальная дисциплина «Физическая и коллоидная химия» является базисной для освоения студентами аналитической, органической, фармацевтической химии, токсикологической химии, технологии лекарственных форм, входящих в учебный план подготовки студентов по специальности 040500 «Фармация».

Содержание программы

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Предмет, задачи и методы физической химии
Основные этапы развития физической химии. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии физической химии. Место физической химии среди других наук и её значение в развитии фармации. М. В. Ломоносов, Д. И. Менделеев, Н. С. Курнаков, Г. И. Гесс, В. Ф. Алексеев, Н. Н. Бекетов – российские ученые, основоположники физической химии.
Основные понятия и законы химической термодинамики. Термохимия
Предмет и методы термодинамики. Основные понятия и определения. Системы: изолированные, закрытые и открытые. Состояние системы. Функция состояния. Процессы: изобарные, изотермические, изохорные и адиабатические. Внутренняя энергия системы. Работа. Теплота.
Первое начало термодинамики. Математическое выражение 1-го начала. Энтальпия. Изохорная и изобарная теплоты процесса и соотношение между ними. Закон Гесса. Термохимические уравнения. Стандартные теплоты образования и сгорания веществ. Расчет стандартной теплоты химических реакций по стандартным теплотам образования и сгорания веществ. Теплоты нейтрализации, растворения, гидратации. Энтальпийные диаграммы. Зависимость теплоты процесса от температуры, уравнение Кирхгофа.
Второе начало термодинамики.Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы. Максимальная работа процесса. Полезная работа. Энтропийная формулировка второго начала термодинамики. Энтропия – функция состояния системы. Изменение энтропии в изолированных системах. Изменение энтропии при изотермических процессах и изменении температуры. Статистический характер второго начала термодинамики. Энтропия и её связь с термодинамической вероятностью состояния системы. Формула Больцмана.
Третье начало термодинамики. Абсолютная энтропия. Стандартная энтропия.
Термодинамические потенциалы. Энергия Гельмгольца. Энергия Гиббса; связь между ними. Изменение энергии Гельмгольца и энергии Гиббса в самопроизвольных процессах. Химический потенциал.
Термодинамика химического равновесия
Уравнение изотермы химической реакции.Термодинамическое обоснование закона действующих масс для гомогенного и гетерогенного химического равновесия. Константа химического равновесия и способы её выражения.
Уравнения изобары и изохоры химической реакции. Следствия, вытекающие из этих уравнений. Константа химического равновесия и принцип Ле-Шателье–Брауна. Расчет константы химического равновесия с помощью таблиц термодинамических величин.
Термодинамика фазовых равновесий
Основные понятия. Гомогенная и гетерогенная системы. Фаза. Составляющие вещества. Компоненты. Фазовые превращения и равновесия: испарение, сублимация, плавление, изменение аллотропной модификации. Число компонентов и число степеней свободы. Правило фаз Гиббса. Прогнозирование фазовых переходов при изменении условий.
Однокомпонентные системы.Диаграммы состояния однокомпонентных систем (вода, углекислый газ, сера).Уравнение Клапейрона–Клаузиуса. Связь с принципом Ле-Шателье–Брауна.
Двухкомпонентные (бинарные) системы. Диаграммы плавкости бинарных систем. Термический анализ. Понятие о физико-химическом анализе (Н. С. Курнаков), применение для изучения лекарственных форм. Закон Рауля – обоснование методом химических потенциалов на основе общего закона распределения вещества между двумя фазами. Идеальные и реальные растворы. Типы диаграмм «состав – давление пара», «состав – температура кипения». Азеотропы. Первый и второй законы Коновалова–Гиббса. Дробная и непрерывная перегонка (ректификация). Растворимость жидкостей в жидкостях. Верхняя и нижняя критические температуры растворения (В. Ф. Алексеев). Взаимонерастворимые жидкости. Теоретические основы перегонки с водяным паром.
Трехкомпонентные системы. Закон Нернста распределения веществ между двумя несмешивающимися жидкостями. Коэффициент распределения. Принципы получения настоек, отваров. Экстракция.
Термодинамика разбавленных растворов
Взаимосвязь между коллигативными свойствами: относительным понижением давления пара, понижением температуры замерзания растворителя, повышением температуры кипения растворителя и осмотическим давлением разбавленных растворов нелетучих неэлектролитов. Криоскопическая и эбулиоскопическая константы и их связь с теплотой кипения и плавления растворителя.
Осмотические свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент.
Криометрический, эбулиометрический и осмометрический методы определения молярных масс, изотонического коэффициента.
Термодинамика растворов электролитов
Теория растворов сильных электролитов Дебая и Хюккеля. Понятие об ионнойатмосфере. Активность ионов и её связь с концентрацией. Коэффициент активности и зависимость его величины от общей концентрации электролитов в растворе. Ионная сила раствора. Правило ионной силы. Зависимость коэффициента активности от ионной силы раствора.
Буферные системы и растворы:кислотно-основные, концентрационные, окислительно-восстановительные. Механизм их действия. Ацетатный, фосфатный, аммиачный, карбонатный, гемоглобиновый буферы. Буферная емкость и влияющие на нее факторы. Значение буферных систем для химии и биологии.
Электрохимия
Проводники второго рода. Удельная, эквивалентная и молярная электропроводность; их изменение с разведением раствора. Молярная электропроводность при бесконечном разведении. Закон Кольрауша. Электропроводность неводных растворов. Скорость движения и подвижность ионов. Подвижность и гидратация (сольватация) ионов.
Электродные потенциалы. Механизм возникновения. Уравнение Нернста. Электрохимический потенциал. Стандартные электродные потенциалы. Классификация электродов. Стандартный водородный электрод. Измерение электродных потенциалов. Концентрационные гальванические элементы. Химические источники тока.
Окислительно-восстановительные потенциалы. Механизм возникновения. Окислительно-восстановительные электроды. Реальный стандартный окислительно-восстановительный потенциал.
Ионоселективные электроды. Стеклянный электрод. Другие виды ионоселективных электродов. Применение в биологии, медицине, фармации. Потенциометрический метод измерения рН. Потенциометрическое титрование. Значение этих методов в фармацевтической практике. Потенциометрическое определение стандартной энергии Гиббса реакции и константы химического равновесия.
Кинетика химических реакций и катализ
Предмет и методы химической кинетики. Основные понятия. Реакции простые(одностадийные) и сложные (многостадийные), гомогенные и гетерогенные. Скорость гомогенных химических реакций и методы её измерения. Зависимость скорости реакции от различных факторов. Закон действующих масс для скорости реакции. Молекулярность и порядок реакции.
Уравнения кинетики необратимых реакций нулевого, первого, второго порядка. Период полупревращения. Методы определения порядка реакции. Зависимость скорости реакции от температуры. Температурный коэффициент скорости реакции. Теория активных бинарных соударений. Энергия активации. Связь между скоростью реакции и энергией активации. Определение энергии активации. Ускоренные методы определения сроков годности лекарственных препаратов. Элементы теории переходного состояния (активированного комплекса).
Сложные реакции: обратимые (двусторонние), конкурирующие (параллельные), последовательные, сопряженные (Н. А. Шилов). Превращения лекарственного вещества в организме как совокупность последовательных процессов; константа всасывания и константа элиминации. Цепные реакции (М. Боденштейн, Н. Н. Семенов). Отдельные стадии цепной реакции. Неразветвленные и разветвленные цепные реакции. Фотохимические реакции. Закон фотохимической эквивалентности Эйнштейна. Квантовый выход реакции.
Каталитические процессы. Положительный и отрицательный катализ. Развитие учения о катализе (А. А. Баландин, Н. И. Кобозев). Гомогенный катализ. Механизм действия катализатора. Энергия активации каталитических реакций. Кислотно-основной катализ. Металлокомплексный катализ. Ферментативный катализ. Торможение химических реакций. Механизм действия ингибиторов.
Термодинамический анализ адсорбции. Избыточная адсорбция Гиббса. Уравнение изотермы адсорбции Гиббса. Измерение адсорбции на границах раздела твердое тело – газ и твердое тело – жидкость. Факторы, влияющие на адсорбцию газов и растворенных веществ. Мономолекулярная адсорбция, уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра, Фрейндлиха. Полимолекулярная адсорбция. Капиллярная конденсация, абсорбция, хемосорбция.
Адсорбция электролитов. Неспецифическая (эквивалентная) адсорбция ионов. Избирательная адсорбция ионов. Правило Панета–Фаянса. Ионообменная адсорбция. Иониты и их классификация. Обменная емкость. Применение ионитов в фармации.
Хроматография (М. С. Цвет). Классификация хроматографических методов по технике выполнения и по механизму процесса. Применение хроматографии для получения и анализа лекарственных веществ. Гель-фильтрация.

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Предмет, задачи и методы коллоидной химии
Основные этапы развития коллоидной химии. Т. Грэм и И. Г. Борщов – основатели коллоидной химии. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии коллоидной химии (А. В. Думанский, В. Оствальд, П. А. Ребиндер). Значение коллоидной химии в развитии фармации.
Дисперсные системы
Структура дисперсных систем. Дисперсная фаза, дисперсионная среда. Количественные характеристики дисперсности.
Классификация дисперсных систем: по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по концентрации, по характеру взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой. Понятие о лиофильных и лиофобных дисперсных системах. Особенности коллоидного состояния (наносостояния) вещества. Универсальность дисперсного состояния вещества. Определяющая роль поверхностных явлений в коллоидной химии.
Методы получения и очистки коллоидных растворов.Диализ, электродиализ, ультрафильтрация.
Молекулярно-кинетические и оптические свойства коллоидных систем
Броуновское движение (уравнение Эйнштейна), диффузия (уравнения Фика), осмотическое давление. Их взаимосвязь.
Седиментация. Седиментационная устойчивость и седиментационное равновесие. Центрифуга и её применение для исследования коллоидных систем.
Рассеивание и поглощение света. Уравнение Рэлея. Ультрамикроскопия и электронная микроскопия коллоидных систем. Определение формы, размеров и массы коллоидных частиц.
Термодинамика поверхностных явлений
Термодинамика поверхностного слоя. Поверхностная энергия Гиббса и поверхностное натяжение. Методы определения поверхностного натяжения. Зависимость поверхностного натяжения от температуры. Связь поверхностной энергии Гиббса и поверхностной энтальпии. Краевой угол смачивания. Термодинамичекие условия смачивания и растекания.Гидрофильность и гидрофобность поверхности твердых тел.
Адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ)
Термодинамика адсорбции. Вывод уравнения Гиббса. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества. Изотерма поверхностного натяжения. Уравнение Шишковского. Поверхностная активность. Правило Дюкло–Траубе. Уравнение Ленгмюра для мономолекулярной адсорбции.
Ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое. Определение площади, занимаемой молекулой ПАВ в насыщенном адсорбционном слое, и максимальной длины молекулы ПАВ.
Адсорбция ПАВ на поверхности несмешивающихся жидкостей. Адсорбция ПАВ из растворов на поверхности твердых тел.
Электроповерхностные явления в дисперсных системах.
Электрокинетические явления
Природа электрических явлений в дисперсных системах. Механизм возникновения электрического заряда на границе раздела двух фаз. Строение двойного электрического слоя. Мицелла, строение мицеллы гидрофобного золя. Заряд и электрокинетический потенциал коллоидной частицы.
Влияние электролитов на электрокинетический потенциал. Явление перезарядки коллоидных частиц.
Электрокинетические явления.Электрофорез. Связь электрофоретической скорости коллоидных частиц с их электрокинетическим потенциалом (уравнение Гельмгольца-Смолуховского). Электрофоретическая подвижность. Электрофоретические методы исследования в фармации.
Электроосмос. Электроосмотический метод измерения электрокинетического потенциала. Практическое применение электроосмоса в фармации.
Устойчивость и коагуляция коллоидных систем
Седиментационная и агрегативная устойчивость коллоидных систем. Агрегация и седиментация частиц дисперсной фазы. Факторы устойчивости. Коагуляция и факторы, её вызывающие. Медленная и быстрая коагуляция. Порог коагуляции, его определение. Правило Шульце–Гарди. Чередование зон коагуляции. Коагуляция золей смесями электролитов. Правило аддитивности, антагонизм и синергизм ионов. Коллоидная защита. Гетерокоагуляция. Пептизация.
Теории коагуляции.. Теория Дерягина–Ландау–Фервея–Овербека. Использование ПАВ для управления свойствами дисперсных систем.
Гелеобразование (желатинирование). Реология структурированных дисперсных систем.
Разные классы коллоидных систем
Аэрозоли и их свойства. Получение, молекулярно-кинетические свойства. Электрические свойства. Агрегативная устойчивость и факторы, её определяющие. Разрушение аэрозолей. Применение аэрозолей в фармации.
Порошки и их свойства.Слеживаемость, гранулирование и распыляемость порошков. Применение в фармации.
Суспензии и их свойства. Получение. Агрегативная устойчивость и определяющие её факторы. Флокуляция. Седиментационный анализ суспензий. Пены. Пасты.
Эмульсии, пены и их свойства. Получение. Типы эмульсий. Эмульгаторы, диспергаторы и механизм их действия. Обращение фаз эмульсий. Устойчивость эмульсий и пен и её нарушение. Факторы устойчивости эмульсий и пен. Коалесценция. Свойства концентрированных и высококонцентрированных эмульсий. Применение пен и эмульсий в фармации.
Коллоидные системы, образованные поверхностно-активными веществами: растворы мыл, детергентов, таннидов, красителей. Мицеллярные коллоидные системы. Мицеллообразование в растворах ПАВ. Критическая концентрация мицеллообразования, методы её определения. Липосомы и везикулы. Солюбилизация и микроэмульсии; их использование в фармации. Мицеллярные и липосомальные коллоидные системы в фармации.
Высокомолекулярные соединения (ВМС) и их растворы.
Молекулярные коллоидные системы. Методы получения ВМС. Классификация ВМС, гибкость цепи полимеров. Внутреннее вращение звеньев в макромолекулах ВМС. Кристаллическое и аморфное состояние ВМС.
Набухание и растворение ВМС.Механизм набухания. Термодинамика набухания и растворения ВМС. Влияние различных факторов на степень набухания. Лиотропные ряды ионов.
Вязкость растворов ВМС. Отклонение свойств растворов ВМС от законов Ньютона и Пуазейля. Уравнение Бингама. Причины аномальной вязкости растворов полимеров.
Методы измерения вязкости растворов ВМС. Удельная, приведенная и характеристическая вязкости. Уравнение Штаудингера и его модификация. Определение молярной массы полимера вискозиметрическим методом.
Полимерные неэлектролиты и полиэлектролиты. Полиамфолиты. Изоэлектрическая точка полиамфолитов и методы её определения.
Осмотические свойства растворов ВМС. Осмотическое давление растворов полимерных неэлектролитов. Отклонение от закона Вант-Гоффа. Уравнение Галлера. Определение молярной массы полимерных неэлектролитов. Полиэлектролиты. Осмотическое давление растворов полиэлектролитов. Мембранное равновесие Доннана.
Факторы устойчивости растворов ВМС. Высаливание, пороги высаливания. Лиотропные ряды ионов. Зависимость порогов высаливания полиамфолитов от рН среды. Коацервация - простая и комплексная. Микрокоацервация. Биологическое значение. Микрокапсулирование. Застудневание. Влияние различных факторов на скорость застудневания. Тиксотропия студней и гелей. Синерезис.

Рекомендуемая литература