ВВЕДЕНИЕ
Поверхностные явления и дисперсные системы относятся к фундаментальным дисциплинам и служат теоретической основой технологии производств, связанных с хранением и переработкой сырья и пищевых продуктов.
Эта дисциплина изучает свойства дисперсных систем и протекающие в них процессы.
Базируется на фундаментальных дисциплинах естественно-научного цикла: математике, физике, неорганической, органической и аналитической химии и является базой для подготовки студентов по дисциплинам, связанным с технологией хранения, переработки пищевого сырья и производства продовольственных продуктов.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель курса – научить студентов применять основные законы коллоидной химии для решения задач технологии пищевых продуктов.
В результате изучения курса студент должен
знать:
– основные задачи, предмет и методы «Поверхностных явлений и дисперсных систем», как науки;
– строение и свойства дисперсных систем;
– основные свойства растворов высокомолекулярных соединений;
– поверхностные явления в дисперсных системах;
– методы исследования дисперсных систем и поверхностных явлений, протекающих в процессах переработки пищевого сырья;
уметь:
– рассчитывать концентрацию и определять размеры частиц дисперсных систем;
– определять устойчивость коллоидных растворов;
– определять коллоидно-химические свойства дисперсных систем и растворов ВМС (высокомолекулярных соединений);
– использовать навыки применения закономерностей поверхностных явлений и дисперсных систем для решения задач пищевой технологии.
СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
Тема 1. Понятие о дисперсных системах
Поверхностные явления и дисперсные системы как наука о свойствах гетерогенных высокодисперсных систем и протекающих в них процессах. Дисперсные системы и коллоидные растворы.
Особенности дисперсного состояния. Дисперсная фаза и дисперсионная среда. Дисперсность, удельная поверхность, размер частиц и концентрация дисперсной фазы. Классификация систем по дисперсности, размеру частиц, агрегатному состоянию фаз, интенсивности взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Особенности растворов высокомолекулярных соединений, их сходство с коллоидными системами.
Понятие о поверхностной энергии, коагуляции, седиментации, стабилизации дисперсных систем. Роль дисперсных систем в пищевых технологиях.
Тема 2. Получение и очистка дисперсных систем
Условия получения устойчивых дисперсных систем (нерастворимость фаз, степень дисперсности, концентрация, наличие стабилизатора).
Способы получения вещества определенной степени дисперсности.
Диспергирование. Работа диспергирования.
Механическое диспергирование. Принцип работы шаровых мельниц, степень измельчения. Коллоидные мельницы. Роль поверхностно-активных веществ в процессе механического дробления.
Электрические методы диспергирования, измельчение в дуговом и высокочастотном разрядах.
Ультразвуковое диспергирование. Механизм процесса ультразвукового диспергирования.
Конденсационные методы получения коллоидных растворов. Физические способы конденсации: метод замены растворителя, конденсация паров по методу Рогинского С.З. и Шальникова Л.И. Применение в пищевой промышленности.
Химическая конденсация. Реакции двойного обмена, восстановления, окисления, гидролиза. Строение коллоидной частицы - мицеллы. Двойной электрический слой. Правило Фаянса.
Получение золей методом пептизации. Пептизация промыванием осадка, пептизация осадка электролитом, химическая пептизация. Практическое значение методов пептизации.
Очистка коллоидных растворов. Обоснование необходимости очистки золей от избытка электролита. Понятие об ультрафильтрации, диализе и электродиализе, принцип работы диализаторов. Применение электродиализа в молочной промышленности при производстве лактозы, продуктов детского питания, обессоливания сливочного масла и др.
Тема 3.Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем
Тепловое движение молекул и броуновское движение. Опыт Р. Броуна. Движение коллоидных частиц. Среднее квадратичное смещение, формула для расчета среднего квадратичного смещения. Универсальность броуновского движения.
Диффузия в истинных растворах и дисперсных системах. Закон Фика. Скорость диффузии. Физический смысл коэффициента диффузии. Уравнение Эйнштейна. Определение размера частиц. Уравнение Эйнштейна-Смолуховского, его практическое значение.
Осмотическое давление дисперсных систем. Обратный осмос.
Явление седиментации в дисперсных системах. Классификация дисперсных систем по агрегативной и седиментационной устойчивости. Уравнение Стокса, его практическое значение. Постоянная Стокса. Седиментационный анализ. Принудительная седиментация, принцип работы ультрацентрифуг. Седиментационный анализ в пищевой промышленности.
Тема 4. Оптические свойства дисперсных систем
Общая характеристика оптических явлений. Рассеяние света в дисперсных системах. Конус Тиндаля. Уравнение Рэлея для интенсивности рассеянного света. Опалесценсия и флуоресценсия, особенности явлений.
Поглощение света коллоидными растворами. Уравнение Бугера-Ламберта-Бэра для интенсивности прошедшего света, его особенности.
Окраска дисперсных систем. Зависимость окраски от природы вещества и степени дисперсности.
Оптические методы исследования дисперсных систем. Нефелометрия, ультрамикроскопия и электронная микроскопия. Особенности методов, их практическое применение в пищевой промышленности.
Тема 5. Термодинамические основы поверхностных явлений
Поверхностная энергия и поверхностное натяжение. Способы выражения, обозначение и размерность. Возникновение поверхностной энергии на границе раздела фаз. Изменение поверхностной энергии при диспергировании вещества и поверхностных явлениях.
Тема 6. Адсорбционные процессы на границе раздела фаз
Абсорбция как поверхностное явление. Адсорбент и адсорбтив. Физическая и химическая адсорбция. Количественное выражение адсорбции. Влияние концентрации, давления и температуры на адсорбционные процессы. Изотерма адсорбции. Теплота адсорбции.
Адсорбция на границе твердое тело – газ. Теории моно- и полимолекулярной адсорбции. Теория и уравнение Ленгмюра. Теория БЭТ. Капиллярная конденсация, явление гистерезиса.
Адсорбция из раствора на границе жидкость – газ. Особенности строения поверхности жидкостей. Поверхностное натяжение. Методы измерения поверхностного натяжения. Поверхностно-активные вещества, понятие об их дифильности. Ориентация ПАВ на границе раздела фаз. Современные моющие средства в пищевой промышленности. Уравнение Гиббса, его практическое значение. Уравнение Шишковского. Правило Дюкло-Траубе.
Адсорбция на границе твердое тело – жидкость. Молекулярная адсорбция из растворов, ее особенности. Уравнение Фрейндлиха. Адсорбция из растворов электролитов. Факторы, влияющие на адсорбцию ионов. Обменная адсорбция, ее практическое значение.
Значение и место адсорбционных явлений в пищевой промышленности.
Тема 7. Адгезия и смачивание
Смачивание и краевой угол смачивания. Условия самопроизвольного растекания капли. Силы когезии и адгезии. Работа адгезии. Капиллярные явления при смачивании. Роль адгезии и смачивания в пищевой промышленности.
Тема 8. Электрические свойства дисперсных систем
Современные представления о двойном электрическом слое (ДЭС). Теория Штерна. Понятие о электрическом и электрокинетическом потенциале. Влияние различных факторов на величину потенциалов. Изоэлектрическое состояние.
Перезарядка твердой поверхности неиндифферентным и индифферентным электролитами.
Электрокинетические явления. Электрофорез. Электрофоретическое торможение. Электроосмос как капиллярное явление. Потенциалы оседания и течения. Определение электрокинетического потенциала методом электроосмоса и электрофореза. Практическое значение электрокинетических явлений.
Тема 9. Стабилизация и коагуляция коллоидных систем
Виды устойчивости. Термодинамический и кинетический факторы агрегативной устойчивости. Причины термодинамической неустойчивости дисперсных систем. Лиофобные и лиофильные дисперсные системы.
Коагуляция скрытая и явная. Коалесценция. Физическая и химическая коагуляция. Взаимная коагуляция. Коагуляция электролитами, правило Шульце-Гарди. Порог коагуляции. Кинетика процесса коагуляции, основы теории Смолуховского. Основные положения теории ДЛФО и расклинивающее давление. Нейтрализационная и концентрационная коагуляция.
Механизмы стабилизации. Ионные и молекулярные стабилизаторы. Понятие о структурно-механическом барьере. Стабилизация дисперсных систем в пищевых технологиях.
Тема 10. Структурно-механические свойства дисперсных систем
Возникновение и особенности структурообразования в дисперсных системах. Строение структурированных систем. Гели. Влияние различных факторов на гелеобразование. Явление тиксотропии.
Реологические свойства дисперсных систем. Вязкость коллоидных растворов. Применение уравнений Ньютона и Пуазейля к дисперсным системам. Особенности вязкости золей. Зависимость вязкости коллоидных растворов от концентрации дисперсной фазы, уравнение Эйнштейна, особенности его применения. Структурная вязкость, уравнение Бингама.