Ноябрьская химическая образовательная программа

Образовательная программа была направлена на формирование у школьников представлений о современной методологии и технике лабораторного химического синтеза и анализа.

В рамках программы осваивались возможности современных синтетических лабораторий, методы синтеза органических и неорганических соединений, современные физико-химические методы исследования веществ. Учащиеся познакомились с теорией механохимических, фотохимических, электрохимических и микроволновых методов синтеза химических соединений, хроматографическими, и электрофоретическими методами исследования вещества, основами нанотехнологий и различными вариантами подготовки проб к анализу. Особое внимание было уделено свойствам синтезируемых веществ и их связи со структурой соединений, а также сфере их применения. 

В программу вошли научные и научно-популярные лекции ученых Института химии Санкт-Петербургского университета и приглашенных профессоров, семинары, олимпиадные тренинги, химическая олимпиада, которая состояла из теоретического и практического туров, и научно-практическая конференция по итогам выполнения исследовательских проектов.

Лекции

Загадка бензола
Как увидеть запах?
Неорганические вещества в медицине: противоопухолевые препараты
Удивительный мир лазеров
Как изобретают лекарства или 6D-процесс
Кольца, за которые держится жизнь
Периодическая система Менделеева: история создания и перспективы развития
Отзвуки химического эксперимента
Удивительный углерод

Олимпиадные тренинги

Общая химия
Неорганическая химия
Органическая химия
Органическая химия. 10 класс
Органическая химия. Задачи
Физикохимические задачи
Физическая химия

Олимпиада (районный этап ВсОШ)
 

В ходе программы школьники принимали участие в исследовательских проектах:

1. Органический синтез в действии: красители, люминофоры и лекарства
2. Современные синтетические методы в химии: путь от колбы к чипу
3. Сравнение различных способов пробоподготовки при определении подвижных форм металлов в почвах
4. От ионов и молекул к магнитным наночастицам и далее к функциональным материалам на их основе
5. Получение микро- и нанодисперсных материалов и их использование
6. Хроматографический профиль антиоксидантов лекарственных и субтропических культур для контроля биотехнологических подходов
7. Простые синтезы для аналитической электрохимии. Сенсорные покрытия на основе галогенидов серебра
8. Разделение ионов редкоземельных элементов методами ионно-обменной хроматографии
9. Исследовательский проект «ЯМР в земном поле»
10. Полимерные мицеллярные катализаторы  в реакциях гидролиза

Описание проектов

1. Органический синтез в действии: красители, люминофоры и лекарства

Руководитель проекта: Ростовский Н. В.

Волонтер проекта: Филиппов И.П.

Аннотация проекта: В рамках проекта учащиеся освоили большой объем лекционного материала. Лекции были посвящены основам органического синтеза, свойствам аминов, производных карбоновых кислот, солей диазония. Учащимися прослушал блок лекций по следующим видам спектроскопии: ЯМР, УФ, ИК спектроскопии и масс спектроскопии, рассмотрены теоретические основы люминесценции, освоена теория цветности органических соединений. Изученный материал разбирался на семинарских занятиях.

Реализованы следующие этапы практической части: синтез солей диазония и азокрасителей; синтез биологически активных соединений парацетамола и бензоксазиндиона; синтез люминофоров флуоресцеина и диарилоксалата.

Синтез солей диазония и азокрасителей. В данной части проекта были синтезированы 3 соли арендиазония, а на их основе получены 7 азокрасителей с помощью реакции азосочетания с фенолом, 2 нафтолом и резорцином. Отдельно были синтезированы красители и индикаторы метилоранж и нафтолоранж. Для полученных соединений были измерены рН-перехода и записаны спектры поглощения в кислой и щелочной средах, определены температуры плавления полученных веществ. Структуры азосоединений были
подвержены по данным ЯМР-спектроскопии. Было произведено крашение образцов одежды с помощью раствора синтезированного нафтолоранжа.

Синтез биологически активных соединений. В рамках этого раздела проводился трёхстадийный синтез парацетамола. Первым шагом явилось нитрозирование фенола в пара-положение. Далее проводилось его восстановление с помощью хлористого олова. Последней стадией синтеза было ацилирование п-аминофенола с помощью ледяной уксусной кислоты, однако синтезировать парацетамол по такой методике не удалось. Для синтеза другого биологически активного вещества использовалась реакция ацилирования о-аминофенола с
оксалилхлоридом, был получен бензоксазиндион.

Синтез люминофоров. По реакции фталевого ангидрида с резорцином при катализе концентрированной серной кислотой был получен флуоресцеин, далее были изучены его люминесцентные свойства в щелочной среде. В заключение, из оксалилхлорида и трихлорфенола был получен диарилоксалат, после чего была изучена люминесценция на его основе по аналогии со «светящимися палочками». Для этого смешивались ацетат натрия, диарилоксалат, 9,10 -дифенилантрацен и пероксид водорода.

Презентация проекта

Методические материалы

2. Современные синтетические методы в химии: путь от колбы к чипу

Руководитель проекта: Михайлов В.Н.

Волонтер проекта: Жуков А.С.

Аннотация проекта: Данный проект направлен на формирование у школьников представлений о современной и безопасной методологии микрореакторного лабораторного химического синтеза, а также новых современных каталитических процессов в органический химии. Все чаще на смену традиционным реакциям приходят более эффективные превращения, катализируемые металлокомплексными системами. Наряду с микрореакторной методологией, каталитические превращения приводят к трансформации подходов органического синтеза.

Экспериментальное исследование включало разработку архитектуры микрофлюидного устройства с использованием современных систем автоматизированного проектирования. Участники проекта получили навыки изготовления функциональных чипов из стекла и силиконовых материалов на основе матрицы собственной разработки, выполненной с применением аддитивных технологий фотополимерной 3D-печати.

Спроектированные и изготовленные микрореакторные установки использованы для проведения химического эксперимента. Учащиеся подобрали оптимальные условия превращений и исследовали синтезированные продукты с помощью физико-химических методов анализа.

Экспериментальное сравнение микрореакторной технологии с классическим синтезом позволило на практике оценить преимущества и ограничения каждой из представленных синтетических методологий. В рамках ознакомления с практической стороной современной органической химии учащиеся были также синтезированы катализаторы на основе карбеновых комплексов меди и проведена оценка каталитической способности данных соединений в условиях реакции азид-алкинового циклоприсоединения.

Главные итоги
- Синтезированные карбеновые комплексы меди(I) - эффективные катализаторы для реакции азид-алкинового циклоприсоединения.
- На каталитическую активность полученных комплексов влияет объем N-заместителей в диаминокарбеновом фрагменте: уменьшение объема приводит к повышению активности катализатора.
- При получении азокрасителей диазотирование оптимально проводить в микрореакторе при низких температурах, а азосочетание в объемном реакторе при комнатной температуре.
- 2-нафтол может быть рекомендован в качестве индикатора успешного формирования соли арендиазония. 

Презентация проекта

Методические материалы

3. Сравнение различных способов пробоподготовки при определении подвижных форм металлов в почвах

Руководитель проекта: Савинов С.С.

Волонтер проекта: Терно П.В.

Аннотация проекта: Целью работы являлось сравнение различных способов пробоподготовки при определении подвижных форм металлов в почвах. Анализировали образцы почв Сочи, из Санкт-Петербурга и Череповца. Тяжелые металлы попадают в почву обычно из техногенных источников и впоследствии накапливаются в поверхностном слое почвы. Их присутствие оказывает негативное влияние на свойства почвы, в т.ч. плодородие. Кроме того, металлы из почвы попадают в растения и распространяются далее по трофическим цепям. В настоящее время нормативными документами предложено несколько схем извлечения подвижных форм металлов из почв, которые отличаются, в частности, по продолжительности контакта пробы с экстрагентом и эффективности перемешивания, что может приводить к получению несопоставимых результатов. При сравнении схем пробоподготовки для всех трех почв установлено, что варианты с настаиванием и настаиванием с промывкой дают близкие результаты, как и такая пара как встряхивание двойное встряхивание. Однако, в случае настаивания определяются большие концентрации, что, вероятно, связано с более полным извлечением металла из почвы из за большей продолжительности контакта пробы с экстрагентом.

Марганец в почвах определяли фотометрически с предварительным переводом иона марганца 2 в перманганат ион персульфатом аммония в присутствии серной и фосфорной кислот и нитрата серебра. Наименьшая концентрация марганца наблюдается в почве Сочи, несколько большая — в почве Санкт-Петербурга. В обоих случаях концентрация меньше ПДК, вероятно потому, что пробы были отобраны из экологически чистых районов. В случае Череповца, где проба почвы отбиралась вблизи заводов, концентрация марганца превышает ПДК, что свидетельствует о неблагоприятной экологической обстановке.

Определение содержания цинка в почвах проводилось также методом фотометрии, но, в отличие от марганца, фотометрической формой являлся комплекс цинка с дитизоном, извлекаемый в фазу четыреххлористого углерода. Содержание цинка в почве Череповца также больше, чем в почвах Сочи и Санкт-Петербурга, однако во всех трех случаях ПДК не превышена.

Содержание кальция определялось титриметрическим методом с Трилоном Б в сильнощелочной среде с индикатором мурексидом после добавления маскирующих веществ. Мурексид образует розовый комплекс с кальцием менее устойчивый, чем бесцветный комплекс кальция с ЭДТА, поэтому в точке эквивалентности окраска меняется на фиолетовую, соответствующую свободному индикатору. При сравнении схем пробоподготовки для трех почв видно, что все четыре схемы пробоподготовки дают близкие результаты. Вероятно, кальций, в отличие от марганца и цинка, быстрее извлекается из почв, поэтому часового контакта со встряхиванием уже достаточно, чтобы получить сопоставимые с настаиванием результаты. Наименьшая концентрация кальция наблюдается в почве Санкт-Петербурга, несколько большая — в почве Сочи, максимальная — в почве Череповца.

Таким образом, главные итоги
- Отобраны образцы почв, проведена пробоподготовка.
- Проведена экстракция подвижных форм металлов из почв различными способами.
- Определено содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах методами молекулярной фотометрии и титриметрии
- Проведена обработка данных, сравнительная оценка результатов, полученных для разных способов пробоподготовки.
- Определены средние значения и доверительные интервалы, сопоставлены с предельно -- допустимыми концентрациями

По итогам работы можно сделать вывод, что схемы пробоподготовки дают различные результаты, наиболее сильно это проявляется для микроэлементов — марганца и цинка. Для кальция это различие практически незначимо. Содержание всех трех металлов максимально в почве Череповца, что говорит о неблагоприятной экологической обстановке в этом регионе.

Презентация проекта

Методические материалы

4. От ионов и молекул к магнитным наночастицам и далее к функциональным материалам на их основе

Руководители проекта: Ванин А.А., Пажельцев В.В.

Аннотация проекта: Представляет собой актуальный научный проект, знакомящий школьников на практике с нанотехнологиями, где в качестве объекта выбраны наночастицы магнетита. Для реализации данного научного проекта поставлены следующие цель и задачи. В ходе выполнения проекта участники знакомились с подходом «снизу вверх» при создании наноматериалов, суть которого в направленном химическом синтезе из ионов и молекул частиц нанометрового размера и последующем приготовлении коллоидных систем.

В теоретической части рассмотрены такие вопросы как синтез наночастиц, приготовление и устойчивость коллоидных систем, полимеры.

Главные итоги:

- Синтезированы наночастицы магнетита Fe3O4 и ферритов MFe2O4 (марганцевого и кобальтового). Никелевый феррит NiFe2O4 не получился.
- Наночастицы были стабилизированы либо олеиновой кислотой, либо лимонной. Избыток олеиновой кислоты удаляли ацетоном или этанолом.
- Получены магнитные жидкости, для этого стабилизированные наночастицы магнетита, ферритов были пептизированы в гексане и в воде. Мы настоятельно рекомендуем использовать этанол для удаления избытка стабилизатора для получения качественной магнитной жидкости на гексановой основе. Из наночастиц, отмытых ацетоном от избытка олеиновой кислоты, получается магнитная жидкость худшего качества.
- При проведении синтеза обратили внимание на необычную реакцию между двумя плохо растворимыми веществами. Поставили дополнительные эксперименты, которые подтвердили, что между свежеосажденным гидроксидом железа (2) и гидроксидом железа (3) происходит реакция в щелочном растворе. Образование магнетита растянуто во времени, магнитный черный осадок формируется за 10-15 минут.
- Получен сорбент на основе альгината кальция («белая икра») в виде шариков диаметра 1.5-2 мм. Для этого добавляли по каплям водный раствор альгината натрия в 0,2M раствор хлорида кальция (отвердитель). Наилучшие результаты по соотношению скорости генерации и механическим и технологическим свойствам (прочность, плотность, скорость отвердевания) были получены с использованием 1%(масс.) раствора альгината натрия. Формирование гранул сорбента из растворов более высокой концентрации требует значительного времени из-за большой вязкости раствора.
- Введение наночастиц магнентита, стабилизированных лимонной кислотой, в водный раствор альгината натрия позволило получить магнитный сорбент (магнитная «черная икра»). Наименьшая концентрация магнетита в сорбенте, при которой «икринки» хорошо удерживаются магнитом, равна 2%(масс.).
- Определена концентрация магнетита в водной магнитной жидкости путем измерения плотности суспензии. Максимальная концентрация Fe3O4 в устойчивой суспензии составила 18%(масс.).
- Проведена сорбция ионов меди из водного раствора гранулами альгината кальция с добавлением магнитных наночастиц и без них. Введение магнетита в сорбент приводит к уменьшению сорбционной емкости примерно на 20%.
- Выполнен кинетический эксперимент с немагнитной «белой икрой» и магнитной «черной». За первые 5 минут содержание меди в сорбенте достигает 80% значения от максимально возможного.
- Определена концентрация хлорида железа в концентрированном водном растворе по измерению плотности и с помощью комплексонометрии (титрант – трилон Б, индикатор – сульфосалициловая кислота).
- Освоен метод визуальной и инструментальной фотометрии. Определена концентрация ионов меди в водном растворе (водный раствор 3M аммиака, длина волны 620 нм). Полученные фотометрическим методом концентрации подтверждены с помощью комплексонометрического титрования (титрант – трилон Б, индикатор – мурексид, аммиачный буфер pH ~9).

Презентация проекта

Методические материалы

5. Получение микро- и нанодисперсных материалов и их использование

Руководители проекта: Рогожин В.Б., Лезова А.А.

Аннотация проекта: Цель настоящего проекта — получение микро- и нанодисперсных материалов на основе низкомолекулярных веществ и полимеров, а также внедрение в их состав магнитных микро- и наночастиц с целью создания функциональных магнитоуправляемых материалов различного назначения.
В ходе выполнения проекта выполнены:
- проектирование и сборка лабораторных установок на базе имеющихся блоков и материалов
- получение микро-и нанодисперсных материалов и нановолокон
- исследование свойств полученных материалов и анализ возможных сфер их применения

«Зелёный» синтез наночастиц серебра

В последние годы активно развиваются подходы in vitro, в которых для биовосстановления ионов металлов с образованием наночастиц используют растительные экстракты. В работе для получения наночастиц серебра 2% водный раствор нитрата серебра в различных пропорциях добавлялся к растительным экстрактам, смешанным с 10% водным раствором натрий додецилсульфата (в качестве стабилизирующего агента). Растительные экстракты готовились из листьев Melissa officinalis (мелисса) и кожуры citrus maxima (помело), а также зеленого чая и чая Габа.

Растворы оставались стабильными в течении всего времени последующих экспериментов, выпадение осадка не наблюдалось. Отмечено наличие пика плазмонного резонанса в области 425-445 нм, характерного для наночастиц серебра.

Размер полученных наночастиц серебра определялся из данных атомно-силовой микроскопии (АСМ). Коллоидный раствор частиц серебра был разбавлен дистиллированной водой в концентрации 1:10 по отношению к исходному объему раствора, после чего наносился тонким слоем на предметное стекло и высушивался. Продемонстрированы антибактериальные свойства наночастиц серебра на колонии бактерий E. Coli, свидетельствующие о значительном подавлении роста бактерий даже для самых малых концентраций исходного коллоидного раствора наночастиц серебра.

Получение магнитоуправляемых микро- и наночастиц

Магнитная жидкость, предоставлена нам научной группой Ванина Александра Александровича. Исходный образец после разбавления дистиллированной водой, нанесения тонким слоем на предметное стекло и высушивания был исследован методом АСМ.

Для получения управляемых магнитным полем композитных частиц на основе ферромагнитной жидкости и коллоидного раствора наночастиц серебра был использован метод распылительной сушки.Исходные образцы в равной пропорции смешивались друг с другом, распылялись компрессорным распылителем (размер капель 2-4 мкм), высушивались в сушильной камере в потоке сухого воздуха и осаждались на электродах электростатического фильтра, выполненных из меди. Съемные электроды были выполнены из медной фольги, наклеенной двойным скотчем на пластмассовые пластины 10 х 16 см.

Образцы полученных частиц были исследованы методом АСМ. Перед исследованием частицы наносились на поверхность двойного скотча, предварительно приклеенного к подложке. Отмечается формирование частиц в диапазоне от ста нанометров до 1,5 мкм.

Одним из возможных применений полученных частиц может быть создание катализаторов для дожигания угарного газа до СО2. Магнитные свойства позволяют управлять поведением частиц, в частности, удерживать их без дополнительных фильтров в зоне реакции. Малый же размер обеспечивает большую суммарную площадь контакта с реагентами. Получены наночастицы MnO2, с целью проверки их на каталитическую активность. Отмечается формирование частиц в диапазоне от 10 до 50 нм.

Получение микро- и нановолокон методом вытягивания и электроспиннинга

Метод вытягивания. Суть метода: растворение полимера (в нашем случае ПММА) в разных растворителях и механическое вытягивание волокон. Тонкое остриё слегка погружается при помощи микроманипулятора в каплю полимерного раствора (расплава) вблизи контактной границы. Затем остриё извлекается из капли со скоростью ~10-4 м·с-1, вытягивая за собой нановолокно. Длина получаемых волокон определяется скоростью отверждения волокна за счет испарения растворителя (при формовании раствора полимера) или стеклования расплава (при формовании расплава полимера). Для формирования волокон методом вытягивания мы воспользовались раствором полиметилметакрилата (ПММА) в хлороформе. Обнаружилось, что даже при сравнительно малой концентрации раствора (5 г/дл) оказалось возможным вытягивание волокна с очень большими для данного метода скоростями (порядка 1 м/с). Возможно, это обусловлено высокой молекулярной массой используемого полимера (M=1.8*106 г/моль, определена по значению характеристической вязкости раствора ПММА).

На базе этих волокон было получено магнитоуправляемое волокно путем смешивания исходного раствора ПММА с частицами магнетита. В дальнейшем для получения полимерных волокон использовался метод электроформирования волокон (электроспиннинг). Метод электроформирования волокон позволяет формировать полимерные волокна с толщиной в диапазоне от нескольких микрон вплоть до десятков нанометров.

С помощью электроспиннинга нам удавалось получать из раствора ПММА в хлороформе разной концентрации (от 0,5 до 2 г/дл) однородные волокна, примерно равные по толщине, в диапазоне диаметров от 1 до 10 мкм.

Области возможного применения магнитоуправляемых волокон:

- микро- и наноманипуляторы для перемещения микропорций вещества,
- магнитные затворы, микронасосы и перестраиваемые капиллярные каналы в микрофлюидике,
- основа для магнитоуправляемых фильтров и катализаторов в химической промышленности,
- магнитоуправляемые зонды и инструменты для микрохирургии

Главные итоги

- Спроектированы и собраны лабораторные установки для получения микро- и наночастиц и волокон.
- Успешно реализованы методы получения микро- и наночастиц частиц и волокон, такие, как распылительная сушка, метод вытягивания, электроспиннинг.
- Созданы магнитоуправляемые материалы: композитные микро- и наночастицы и волокна.
- Проанализированы области возможного применения подобных материалов: создание долговечных катализаторов, магнитоуправляемых микроманипуляторов, устройств управления микропотоками жидкости в микрофлюидике, медицинских устройств и т. д.

Презентация проекта

Методические материалы

6. Хроматографический профиль антиоксидантов лекарственных и субтропических культур для контроля биотехнологических подходов

Руководитель проекта: Бессонова Е.А.

Волонтер проекта: Карпицкий Д.А.

Аннотация проекта: Природные флавоноиды, танины, фенолкарбоновые кислоты и другие вещества, содержащиеся в пищевых и лекарственных растениях, проявляют выраженную антиоксидантную активность и способны эффективно обезвреживать свободные радикалы в тканях человека. В качестве объектов исследования селекционные сорта растения субтропического происхождения (чай, цитрусовые) и лекарственные растения видов Ириса, выращенные с использованием биотехнологических подходов. В них содержатся такие биологически активные компоненты, как полифенолы, аминокислоты, витамины, сахара и органические кислоты, которые являются маркерами спелости, вкуса, запаха и качества продуктов растительного происхождения. Информация о содержании этих органических соединений крайне полезна как для контроля качества продукции, так и при селекционировании и выборе наиболее перспективных сортов растений, разработке биотехнологических подходов.

В ходе проекта участники познакомились с теоретическими и практическими основами современных физико--химических методов анализа смесей веществ (хроматография и капиллярный электрофорез), научились выделять и проводить идентификацию биологически-активных веществ. Особое внимание в проекте уделено методам подготовки пробы к анализу - очистке и концентрированию образца. Получены характеристические хроматографические профили аналитов в различных растительных образцах, проведена идентификация компонентов, найдены условия хроматографического разделения аналитов; проведена хемометрическая обработка многомерных данных, что позволяет сделать выбор наиболее перспективных селекционных сортов растений.

Главные выводы:
- Предложен экспрессный вариант определения полифенолов различной полярности и аминокислот в растительных объектах с использованием метода ВЭТСХ с видеоденситометрическим детектированием.
- Получены характеристические профили полифенолов и аминокислот в выбранных условиях в различных сортах чая и биотехнологического сырья Ириса.
- Показана возможность контроля биотехнологического подхода с помощью предложенной методики.

Презентация проекта

Методические материалы

7. Простые синтезы для аналитической электрохимии. Сенсорные покрытия на основе галогенидов серебра

Руководитель проекта: Пешкова М.А.

Волонтер проекта: Похвищева Н.В.

Аннотация проекта: Целью проекта являлось определение оптимальных методов и условий для изготовления
электродов типа «серебро – галогенид серебра». Для достижения этой цели обучающимися был произведен поиск и анализ литературы, в результате которого были выбраны несколько различных методов изготовления покрытий. Для получения покрытий галогенидов серебра химическим способом был выбран так называемый «пероксидный» способ, для которого оценивалась зависимость качества покрытия от содержания окислителя (пероксида водорода) в реакционной смеси.

По результатам исследования было выявлено, что наилучшее качество покрытия достигалось при наибольшей концентрации перекиси. Кроме того, покрытие хлорида серебра было получено «дихроматным» методом с варьируемым временем выдерживания. Кроме того, установлено, что увеличение времени протекания реакции приводит к получению более качественного покрытия.

Покрытия на основе трех галогенидов – хлорида, бромида и йодида, были получены при помощи электролиза с варьируемыми плотностями тока и концентрацией галогенидов калия в ячейке электролизера. Для всех галогенидов наблюдалось улучшение покрытия при повышении концентрации исходного вещества. Общей зависимости качества покрытия от плотности тока для всех исследуемых солей получено не было: для бромида и иодида серебра оптимальной являлась максимальная плотность тока (около 15 мА/см2), тогда как для хлорида серебра качество покрытия не изменялось. Хлорид серебра был также осажден электролитически из соляной кислоты: в таких условиях достигалось наилучшее качество покрытия вне зависимости от плотности тока.

Для выявления оптимального метода покрытия полученные в описанных выше экспериментах электроды были проградуированы в растворах соответствующего галогенида, после чего был определен угол наклона линейного участка для всех проградуированных образцов. По его соответствию теоретическому углу наклона (59 мВ/дек согласно уравнению Нернста) в качестве метода изготовления собственно электродов сравнения был выбран метод электрохимического осаждения хлорида серебра из 0.1 М раствора соляной кислоты при плотности тока 1 мА/см2.

Изготовленные исполнителями проекта электроды проверялись на стабильность потенциала как во времени, так и от природы раствора относительно коммерческого электрода сравнения. После подтверждения их стабильности они были использованы в качестве электродов сравнения при градуировке стеклянного pH-электрода и последующем определении pH образцов (воды из Черного моря, воды из пруда на территории ОЦ «Сириус» и яблочного сока для детского питания). pH всех образцов, измеренный относительно электродов сравнения собственного изготовления, совпал с pH образцов, измеренным относительно коммерческого насыщенного хлорсеребряного электрода.

Презентация проекта

Методические материалы

8. Разделение ионов редкоземельных элементов методами ионно-обменной хроматографии

Руководители проекта: Курапова О.Ю., Глухарев А.Г.

Аннотация проекта: Целью проекта являлось знакомство обучающихся с теоретическими и практическими аспектами протекания ионно-обменных процессов, строением и свойствами органических и неорганических ионнообменных материалов, в том числе современных методов их получения, экспериментального определения основных физико-химических характеристик ионообменных материалов, таких как константа обмена, обменная емкость, селективность обмена, с изучением возможностей их дальнейшего практического применения для разделения сложных смесей, а также такими методами физико-химического анализа, как ионно-обменная хроматография, спектрофотометрия, потенциометрические и титриметрические методы анализа.

Особое внимание в проекте было уделено изучению химического равновесия. В настоящее время ионный обмен играет значительную роль для обеспечения безопасности на производствах, очистки сточных вод, очистки растворов от определенного типа ионов (катионов тяжелых металлов, радионуклидов, умягчения воды), получения веществ, прямой синтез которых невозможен, разделения аминокислот и витаминов. Участникам проекта предлагается ознакомиться с основами синтеза и структурой ионитов, экспериментального определения основных физико-химических характеристик ионитов (констант обмена, обменной емкости), основ хроматографического разделения ионов, а также самостоятельного подбора оптимальных условий для разделения сложных смесей редкоземельных элементов, а также «дидима» на Pr3+ и Nd3+ с помощью ионно-обменной хроматографии.

Презентация проекта

Методические материалы

9. Исследовательский проект «ЯМР в земном поле»

Руководители проекта: Иевлев А.В., Куприянов П.А.

Аннотация проекта: Методы ЯМР являются одним из самых мощных инструментов для неразрушающего изучения как физико химических свойств различных веществ, так и исследования самой структуры вещества Проведен цикл экспериментальных работ в рамках проекта по ЯМР в земном поле, что позволило участникам проекта ознакомиться со всеми основными методами ЯМР, а также с его особенностями в слабых магнитных полях. Кроме того, магнитный резонанс имеет достаточно широкие применения, такие как ЯМР томография и магнитометрия, огромным плюсом к этому могут послужить возможности близких явлений ЭПР (электронного парамагнитного резонанса) и ЯКР (ядерного квадрупольного резонанса) с которыми так же познакомятся участники проекта. Логика выполнения данного проекта следующая: участники сессии получили необходимую начальную информацию об основах метода, освоили работу с приборами: ЯМР магнитометром и ЯМР спектрометры, работающие в слабых магнитных полях; научились настраивать и контролировать работу экспериментальной установки, находить сигнал ЯМР, добиваться оптимальных режимов работы, регистрировать спектры ЯМР в земном магнитном поле, вычислять некоторые характеристики веществ, а также получать карты магнитного поля Земли.

Наблюдали и регистрировали эффекты ЯМР на протонах. В отличии от сложных и дорогостоящих ЯМР спектрометров с сильными магнитами в этих приборах в качестве магнита используется магнитное поле Земли. При этом, казалось бы, снижается чувствительность метода, т.к. амплитуда ЯМР сигнала находится в прямой зависимости от напряженности магнитного поля. Зато земное магнитное поле очень однородно, что очень важно для ЯМР, а в поле с достаточной однородностью можно изучать образцы большего объёма, чем в традиционном ЯМР, где из за небольшой однородности магнита ограничиваются объёмами образцов до 1 мл. Исследуемые объёмы от 50 до 100 мл.

Главные итоги:
- Изучили основы ЯМР и где применяется магнитные резонансы
- Научились пользоваться различными приборами
- Исследовали амплитудно-частотную характеристику колебательного контура
- Поняли различия спектров в сильном и слабом поле
- Наблюдали за вариацией магнитного поля
- Измерили магнитное поле участка земной поверхности на территории Сириуса
- Научились правильно визуализировать экспериментальные данные

Презентация проекта

Методические материалы

10. Полимерные мицеллярные катализаторы  в реакциях гидролиза

Руководитель проекта: Фетин П.А.

Аннотация проекта: Проект посвящен синтезу полимерных мицеллярных катализаторов и исследованию их каталитической активности на модельной реакции щелочного гидролиза. Основным структурным фрагментом катализатора выступает поверхностно активный мономер 11-акрилоилоксиундецилтриметиламмоний бромида (АУТА Br), способный к свободно радикальной полимеризации с термическим инициированием.

Целью проекта стало получение новых полимерных мицеллярных катализаторов, с использованием сополимеризации поверхностно-активных мономеров с мономерами различной гидрофобности. Определение влияние доли сомономера на мицеллярно-каталитические свойства продукта.

Задачи:

1. Синтезировать акриламидные гидрогели, содержащие звенья катионной и анионной природы, оценить факторы, влияющие на коэффициент набухания таких полимерных структур.
2. Получить водорасторимые катионные сополимеры 11-акрилоиолоксиундецилтриметиламмония (АУТА-Br) с гидрофобным сомномером – стиролом и мономером умеренной полярности – диметиламиноэтилметакрилатом (ДМАЕМА).
3.Провести корреляции между условиями синтеза и способностью к солюбилизации малополярных красителей, а также максимальным ускоряющим эффектом модельной мицеллярно--каталитической реакции, используя полученные полимерные структуры.

В ходе выполнения проекта получены растворимые в воде, а также гидрогелевые структуры (ограниченно набухающие в воде) гомо- и сополимеров АУТА-Br с мономерами различной функциональности. Для тестирования каталитической активности использована модельная реакция щелочного гидролиза малополярного субстрата. На ускоряющий эффект подобных каталитических систем влияет множество структурных параметров катализатора. Одним из ключевых факторов, вызывающих ускорение химической реакции, является концентрирование субстрата и реагента в полимерных мицеллах. Подобные каталитические системы могут найти применения в процессах переработки токсичных отходов фосфор отравляющих веществ. Разработка полимерных мицеллярных катализаторов полностью соответствует концепции «Зеленой химии», так как отрывает возможности проведения многих органических реакции в воде, исключая использование органических растворителей.

Для изучения каталитической активности полученных соединений использовали модельную реакцию щелочного гидролиза пара-нитрофенилбутирата. Продуктом гидролиза являлся окрашенный в желтый цвет фенолят анион, что позволило нам изучать кинетику данной реакции на спектрофотометре.

В ходе выполнения проекта участники познакомились с теоретическими и экспериментальными основами химии высокомолекулярных соединений, а также получили опыт применения современных спектральных методов исследования органических веществ и изучения кинетики химических реакции.   

Презентация проекта

Методические материалы

К участию в конкурсном отборе приглашаются учащиеся 9-11-х классов (на 1 сентября 2021 года) образовательных организаций, реализующих программы общего и дополнительного образования.

Отбор участников образовательной программы производится на основании рейтинга, определяемого на основании оценки достижений кандидата в олимпиадном движении и исследовательской работе.

Шкала перевода достижений в рейтинговые баллы:
Успехи на заключительных этапах олимпиад по химии (максимальный балл – 60, учитываются только результаты  2020/21 года)

Также могут быть учтены результаты регионального этапа Всероссийской олимпиады школьников:
65-80 баллов — 20
более 80 баллов — 35

Исследовательская деятельность в области химических наук (максимальный балл – 40, учитываются только результаты  2020/21 года)

Подтверждающие документы – сканы дипломов и грамот, копия Положения о конференции, содержащая информацию о ее статусе (ссылка на интернет-ресурс, содержащий информацию о числе участников, призеров, победителей) информация о теме представленного доклада и реферат работы/презентация доклада. 

Для перечисленных ниже мероприятий представлять Положение и ссылки на интернет-ресурсы не нужно.

Список наиболее значимых мероприятий:
1. Всероссийский конкурс научно-технологических проектов «Большие вызовы»;
2. Школьные чтения имени Вернадского;
3. Школьные Харитоновские чтения;
4. Сахаровские чтения;
5. Конференция Intel Авангард;
6. Всероссийская научно-практическая конференции школьников по химии (СПбГУ);
7. Балтийский инженерный конкурс;
8. Открытая научно-практическая конференция школьников (Москва);
9. Международная научно-практическая конференция им. проф. Л.П. Кулёва студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» (работает школьная секция);
10. Казань. «Нобелевские надежды КНИТУ»;
11. Конкурс «Junior Skills»;
12. Региональные и заключительные этапы Всероссийского турнира школьников по химии.

К участию в образовательной программе не допускаются участники августовской образовательной программы по химии (3-26 августа 2021 года).

Школьники, приглашенные на ноябрьскую образовательную программу по химии, не смогут принять участие в апрельской образовательной программе по химии (2022 года).

Список школьников, приглашенных к участию в образовательной программе, публикуется на сайте Образовательного центра «Сириус» не позднее 13 сентября 2021 года. 

Положение о Ноябрьской химической образовательной программе
Образовательного центра «Сириус»

1. Общие положения
Настоящее Положение определяет порядок организации и проведения Ноябрьской химической образовательной программы Образовательного центра «Сириус» (далее – образовательная программа), ее методическое и финансовое обеспечение.

1.1. Образовательная программа по химии проводится в Образовательном центре «Сириус» (Образовательный Фонд «Талант и Успех) с 1 по 24 ноября 2021 года.

1.2. Общее число участников образовательной программы: до 70 человек. Из них: 11 класс – до 10 чел., 10 класс – до 50 чел., 9 класс – до 10 чел.

Координационный совет программы оставляет за собой право скорректировать указанные квоты в зависимости от количества поданных заявок и итогового рейтинга кандидатов.

1.3. Принять участие в образовательной программе могут только зарегистрировавшиеся школьники.

1.4. Для участия в конкурсном отборе на Ноябрьскую химическую образовательную программу приглашаются школьники 9-11 классов (по состоянию на 1 сентября 2021 года) из образовательных организаций всех регионов России, реализующих программы общего и дополнительного образования.

1.5. Принять участие в образовательной программе могут только граждане Российской Федерации.

1.6. Персональный состав участников образовательной программы утверждается Экспертным советом Образовательного Фонда «Талант и успех» (далее – Фонд) по направлению «Наука».

1.7. Научно-методическое и кадровое сопровождение образовательной программы осуществляют сотрудники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет».

1.8. В связи с целостностью и содержательной логикой образовательной программы, интенсивным режимом занятий и объемом академической нагрузки, рассчитанной на весь период пребывания обучающихся в Образовательном центре «Сириус», не допускается участие школьников в отдельных мероприятиях или части образовательной программы: исключены заезды и выезды школьников вне сроков, установленных Экспертным советом Фонда по направлению «Наука».

1.9. В случае нарушений правил пребывания в Образовательном центре «Сириус» или требований настоящего Положения решением Координационного совета участник образовательной программы может быть отчислен с образовательной программы. 

1.10. В случае обнаружения недостоверных сведений в заявке на образовательную программу  (в т.ч. класса обучения) участник может быть исключен из конкурсного отбора.

1.10. В течение учебного года (с июля по июнь следующего календарного года) допускается участие школьников не более, чем в двух образовательных программах по направлению «Наука» (по любым профилям, включая проектные образовательные программы), не идущих подряд.

2. Цели и задачи образовательной программы
2.1. Образовательная программа направлена на формирование у школьников представлений о современной методологии и технике лабораторного химического синтеза и анализа.

2.2. Задачи образовательной программы:

— развитие теоретических и экспериментальных навыков в области методологий и техник современной органической, аналитической, неорганической и физической химии,
— развитие практико-ориентированного мышления и умения работать в коллективе в процессе выполнения практико-ориентированных задач,
— развитие навыков решения нестандартных задач, подготовка к участию в олимпиадах различных уровней, химических турнирах,
— подготовка к участию во всероссийской олимпиаде школьников по химии, Международной Менделеевской олимпиаде.

3. Порядок отбора участников образовательной программы
3.1. Отбор участников образовательной программы осуществляется Координационным советом, формируемым Руководителем Образовательного Фонда «Талант и успех», на основании Порядка отбора школьников на профильные образовательные программы Фонда по направлению «Наука», а также требований, изложенных в настоящем Положении.

3.2. К участию в конкурсном отборе приглашаются учащиеся 9-11-х классов (на 1 сентября 2021 года) образовательных организаций, реализующих программы общего и дополнительного образования.

3.3. Для участия в конкурсном отборе необходимо пройти регистрацию на сайте Образовательного центра «Сириус».

Регистрация на программу открыта до 5 сентября 2021 года.

3.4. Отбор участников образовательной программы производится на основании рейтинга, определяемого на основании оценки достижений кандидата в олимпиадном движении и исследовательской работе.

3.4.1. Максимальный суммарный балл – 100. Учитывается одно максимальное значение за участие в олимпиадах и одно за исследовательскую деятельность.

Шкала перевода достижений в рейтинговые баллы, а также список необходимых подтверждающих документов:

3.4.1.1. Успехи на заключительных этапах олимпиад по химии (максимальный балл – 60, учитываются только результаты  2020/21 года)

Также могут быть учтены результаты регионального этапа Всероссийской олимпиады школьников:
— 65-80 баллов — 20
— более 80 баллов — 35

Результаты других олимпиад (в том числе муниципального этапа Всероссийской олимпиады школьников и отборочных этапов олимпиад перечня РСОШ) не учитываются.

Сведения для оценки академических достижений формируются автоматически на основании данных из Государственного информационного ресурса о детях, проявивших выдающиеся способности.

Прикладывать к заявке подтверждающие документы не требуется.

3.4.1.2. Исследовательская деятельностьв области химических наук (максимальный балл – 40, учитываются только результаты  2020/21 года)

Подтверждающие документы – сканы дипломов и грамот, копия Положения о конференции, содержащая информацию о ее статусе (ссылка на интернет-ресурс, содержащий информацию о числе участников, призеров, победителей) информация о теме представленного доклада и реферат работы/презентация доклада. 

Для перечисленных в п. 3.4.2. мероприятий представлять Положение и ссылки на интернет-ресурсы не нужно.

3.4.2. Список наиболее значимых мероприятий:
1. Всероссийский конкурс научно-технологических проектов «Большие вызовы»;
2. Школьные чтения имени Вернадского;
3. Школьные Харитоновские чтения;
4. Сахаровские чтения;
5. Конференция Intel Авангард;
6. Всероссийская научно-практическая конференции школьников по химии (СПбГУ);
7. Балтийский инженерный конкурс;
8. Открытая научно-практическая конференция школьников (Москва);
9. Международная научно-практическая конференция им. проф. Л.П. Кулёва студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» (работает школьная секция);
10. Казань. «Нобелевские надежды КНИТУ»;
11. Конкурс «Junior Skills»;
12. Региональные и заключительные этапы Всероссийского турнира школьников по химии.

Координационный совет оставляет за собой право корректировать список по итогам экспертизы мероприятий. Окончательный список будет опубликован 8 сентября 2021 года.

3.4.3. При одинаковой сумме баллов приоритет отдается участнику, набравшему большее количество баллов за исследовательскую деятельность. При равенстве баллов за проектную деятельность приоритет отдается кандидату, не участвовавшему до этого в программах центра "Сириус".

3.4.4. Координационный совет оставляет за собой право изменять указанные в п. 3.4.1.2 баллы на основании независимой экспертизы представленной защищенной работы или нового проекта.

3.4.5 Предварительный рейтинг будет опубликован не позднее 10 сентября.

3.5. К участию в образовательной программе не допускаются участники августовской образовательной программы по химии (3-26 августа 2021 года).

Школьники, приглашенные на ноябрьскую образовательную программу по химии, не смогут принять участие в апрельской образовательной программе по химии (2022 года).

3.6. Учащиеся, отказавшиеся от участия в образовательной программе, могут быть заменены на следующих за ними по рейтингу школьников. Решение о замене участников принимается Координационным советом программы.

Внесение изменений в список участников программы происходит до 18 октября 2021 года.

3.7. Список школьников, приглашенных к участию в образовательной программе, публикуется на сайте Образовательного центра «Сириус» не позднее 13 сентября 2021 года. 

4. Аннотация образовательной программы
Образовательная программа направлена на формирование у школьников представлений о современной методологии и технике лабораторного химического синтеза и анализа.

В рамках образовательной программы освещаются аппаратурные возможности и инструменты современных синтетических лабораторий. Учащиеся познакомятся с теорией механохимических, фотохимических, электрохимических и микроволновых методов синтеза органических и неорганических соединений. Особое внимание уделяется свойствам (в т.ч., органолептическим) синтезируемых веществ и их связи со структурой соединений, а также сфере их применения.

В образовательную программу также включены научные и научно-популярные лекции преподавателей Санкт-Петербургского государственного университета, олимпиадные тренинги, научно-практическая конференция.

5. Финансирование образовательной программы
Оплата проезда, пребывания и питания школьников - участников образовательной программы - осуществляется за счет средств Образовательного Фонда «Талант и успех».