Теория мицеллообразования

Специализация 540417 – Теоретическая и математическая физика

Разработчики:

профессор, доктор физ.-мат. наук ___________________ А.К. Щекин

профессор, доктор физ.-мат. наук ___________________ Ф.М. Куни

профессор, доктор физ.-мат. наук ___________________ А.П. Гринин

Рецензент:

профессор, доктор физ.-мат. наук ___________________ В.П. Романов

Санкт-Петербург – 2003 г.

Содержание дисциплины

Темы лекций по дисциплине

1. Основные понятия теории мицеллообразования. Типы мицелл.

2. Закон действующих масс и работа агрегации.

3. Общее кинетическое уравнение образования молекулярных агрегатов.

4. Необратимое поведение в мицеллярных растворах.

5. Термодинамические характеристики кинетики мицеллообразования в околокритической и в мицеллярной областях размеров агрегатов.

6. Квазиравновесные концентрации молекулярных агрегатов в докритической и в закритической областях их размеров.

7. Кинетические уравнения агрегации в околокритической и мицеллярной областях размеров молекулярных агрегатов.

8. Прямой и обратный потоки молекулярных агрегатов через активационный барьер мицеллообразования.

9. Времена установления квазиравновесных концентраций молекулярных агрегатов в докритической и закритической областях их размеров.

10. Время установления квазистационарной концентрации молекулярных агрегатов в околокритической области их размеров.

11. Среднее время между соседними испусканиями мономера ПАВ мицеллой, среднее время оседлой жизни мономера ПАВ в мицелле и среднее время жизни мицеллы.

12. Кинетика установления равновесия в мицеллярном растворе.

13. Время быстрой релаксации мицеллярного раствора.

14. Время медленной релаксации мицеллярного раствора.

15. Время достижения заключительной стадии мицеллообразования.

16. Иерархия кинетических времён мицеллообразования.

17. Обратная задача кинетики мицеллообразования.

18. Вклады в химический потенциал молекул ПАВ в агрегате в капельной модели сферического молекулярного агрегата.

19. Работа агрегации, критическая концентрация мицеллообразования и полуширины максимума и минимума распределения агрегатов в капельной модели сферического молекулярного агрегата ПАВ.

20. Геометрические параметры квазикапельной модели сферического молекулярного агрегата ПАВ.

21. Термодинамические характеристики кинетики мицеллообразования в квазикапельной модели сферического молекулярного агрегата ПАВ.

22. Сравнение капельной и квазикапельной моделей молекулярного агрегата ПАВ.

Примерные темы типовых расчетов

• Вывод кинетического уравнения мицеллобразования.

• Расчет критической концентрации мицеллобразования для капельной модели сферических мицелл.

• Расчет прямого и обратного потоков молекулярных агрегатов.

• Расчет времени достижения заключительной стадии мицеллообразования.

• Нахождение термодинамических параметров капельной модели как функций положения и полуширины потенциальной ямы работы агрегации при ККМ.

• Нахождение термодинамических параметров квазикапельной модели как функций положения и полуширины потенциальной ямы работы агрегации при ККМ.

Примерный перечень вопросов к экзамену по курсу

1. Типы мицелл. Критическая концентрация мицеллобразования.

2. Закон действующих масс и работа агрегации.

3. Равновесное распределение мицелл по размерам и его нормировка.

4. Общее кинетическое уравнение образования молекулярных агрегатов.

5. Доказательство необратимого поведения в мицеллярных растворах.

6. Термодинамические характеристики кинетики мицеллообразования в околокритической и в мицеллярной областях их размеров.

7. Квазиравновесное состояние и квазиравновесные концентрации молекулярных агрегатов в докритической и в закритической областях их размеров.

8. Квазистационарное состояние в околокритической области размеров молекулярных агрегатов.

9. Прямое и обратное преодоление молекулярными агрегатами активационного барьера мицеллообразования. Расчет прямого и обратного потоков молекулярных агрегатов.

10. Нахождение времен установления квазиравновесных концентраций молекулярных агрегатов в докритической и закритической областях их размеров.

11. Нахождение времени установления квазистационарной концентрации молекулярных агрегатов в околокритической области их размеров.

12. Расчет среднего времени между соседними испусканиями мономера ПАВ мицеллой, среднего времени оседлой жизни мономера ПАВ в мицелле и среднего времени жизни мицеллы.

13. Общий подход к описанию кинетики установления равновесия в мицеллярном растворе.

14. Нахождение времени быстрой релаксации мицеллярного раствора.

15. Нахождение времени медленной релаксации мицеллярного раствора.

16. Нахождение времени достижения заключительной стадии мицеллообразования.

17. Иерархия кинетических времён мицеллообразования.

18. Постановка и методы решения обратной задачи кинетики мицеллообразования.

19. Основные положения капельной модели сферического молекулярного агрегата ПАВ.

20. Вклады в химический потенциал молекул ПАВ в агрегате в капельной модели сферического молекулярного агрегата.

21. Работа агрегации, критическая концентрация мицеллообразования и полуширины максимума и минимума распределения агрегатов в капельной модели сферического молекулярного агрегата ПАВ.

22. Основные положения квазикапельной модели сферического молекулярного агрегата ПАВ.

23. Геометрические параметры квазикапельной модели сферического молекулярного агрегата ПАВ.

24. Работа агрегации, критическая концентрация мицеллообразования и полуширины максимума и минимума распределения агрегатов в квазикапельной модели сферического молекулярного агрегата ПАВ.

25. Нахождение термодинамических параметров капельной модели как функций положения и полуширины потенциальной ямы работы агрегации при ККМ.

26. Нахождение термодинамических параметров квазикапельной модели как функций положения и полуширины потенциальной ямы работы агрегации при ККМ.

27. Сравнение капельной и квазикапельной моделей молекулярного агрегата ПАВ.

Литература

Основная

1. Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ. СПб.: Химия, 1992. 280 с.

2. Tanford C. The hydrophobic effect: formation of micelles and biological membranes. Toronto: J.Wiley & Sons, Inc.,2 ed.1980; // J. Phys. Chem. 1974. V.78. n.21. P.2469.

3. Nagarajan R. //in Structure-Performance Relationships in Surfactants.Eds. K.Usimi and N.Uena/ Surfactant Science Ser.1997. V.70. P.1-81. Marcel Dekker. N.Y.

4. Русанов А.И., Куни Ф.М., Щёкин А.К. // Коллоид. журн. 2000. Т.62. №2. С.199.

5. Куни Ф.М., Щёкин А.К., Гринин А.П., Русанов А.И. // Коллоид. журн. 2000. Т.62.№2. С.204.

6. Куни Ф.М., Гринин А.П., Щекин А.К., Русанов А.И. // Коллоид. журн. 2000. Т.62. №4. С.505.

7. Куни Ф.М., Гринин А.П., Щекин А.К., Русанов А.И. // Коллоид. журн. 2001. Т.63. №2. С.220.

8. Куни Ф.М., Щекин А.К., Гринин А.П., Русанов А.И. // Коллоид. журн. 2001. Т.63. №6. С.792.

9. Русанов А.И., Куни Ф.М., Гринин А.П., Щекин А.К. // Коллоидный журнал. 2002. Т.64. №5. С.670.

10. Русанов А.И., Гринин А.П., Куни Ф.М., Щекин А.К. // Журнал общей химии. 2002. Т.72. №4. С.651.

11. Гринин А.П., Русанов А.И., Куни Ф.М., Щекин А.К. // Коллоид. журн. 2003 Т.65. №2. С.168.

12. Куни Ф.М., Щёкин А.К., Гринин А.П., Русанов А.И. // Коллоид. журн. 2003 Т.65. №4.

Дополнительная

1. Aniansson E.A.G., Wall S.N., Almgren M., Hoffman H., Kielmann I., Ulbricht W., Zana R., Lang J., Tondre C. // J. Phys. Chem. 1976. V.80. N9. P.905.

2. Гормелли Дж., Геттинз У., Уин-Джонс Э./ Кинетические исследования мицеллообразования в поверхностно-активных веществах, в кн. «Молекулярные взаимодействия», т.2.// под ред. Г.Ратайчака и У. Орвилл-Томаса. М.: Мир. 1994. С.151-183.

3. Israelachvili J.N., Mitchell D.J., Ninham B.W.//J. Chem. Soc. Faraday Trans.II. 1976. V.72. n.9. P.1525.

4. Nagarajan R., Ruckenstein E. //J. Coll.Int.Sci.1977. V.60.P.221; //J. Coll.Int.Sci.1979. V.71. P.580; //J. Coll.Int.Sci.1983. V.91.n.2. P.500.

1. Цель изучения дисциплины: введение студентов, обучающихся по учебному плану кафедры статистической физики, в круг представлений и проблем современной кинетической и термодинамической теории агрегационных процессов в жидких растворах на примере теории образования мицелл из молекул поверхностно-активного вещества в водных растворах.

2. Задачи курса: освоение основных элементов кинетического и термодинамического описания процессов мицеллообразования.

3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника: курс опирается на общий курс «Термодинамика и статистическая физика», на спецкурсы «Введение в статистическую физику», «Основы теории нуклеации», «Термодинамика гетерогенного зародышеобразования»; курс знакомит обучающихся с современными теоретическими и экспериментальными сведениями о мицеллообразовании и наноструктурах в мицеллярных растворах; излагаемые в курсе методы описания кинетических явлений в мицеллярных растворах позволяют приступить к самостоятельной работе в области физико-химии коллоидных систем.

4. Требования к уровню освоения дисциплины «Кинетика мицеллообразования»

• знать основные типы мицелл,

• иметь представление о работе агрегации для сферических мицелл и её связи с характерными особенностями мицелл,

• уметь связать термодинамические характеристики молекулярного агрегата с кинетикой мицеллообразования,

• иметь представление о быстрой и медленной релаксации в мицеллярном растворе,

• уметь оценить среднее время жизни мономера в мицелле и среднее время жизни самой мицеллы, понимать иерархию кинетических времен мицеллообразования,

• уметь описать релаксационный процесс в мицеллярном растворе,

• знать положения капельной и квазикапельной модели мицелл.

Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и итогового контроля