Секция математики (стр. 5 )

Касимова Н. Д., 10 класс, МБОУ лицей при ТПУ, г. Томск

Научные руководители: аспирант К. И. Мачехина, к. ф.-м. н., доцент Л. Н. Шиян

Исследование свойств природных коллоидных растворов

Все природные воды являются растворами. Они содержат множество химических элементов в виде ионов, молекул и высокомолекулярных соединений. Свойства растворов можно описать физических параметрами, такими как температура кипения и замерзания, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, давление паров воды, удельная теплоемкость и множеством других физических характеристик. Свойства растворов можно описать химическими законами. Это диссоциация, состояние равновесия, гидролиз, концентрация, произведение растворимости и другие. Однако, в природе чаще всего приходится использовать одновременно законы физики и химии. К таким природным растворам относятся коллоидные растворы, которые имеют свои особенности, связанные с дисперсностью. В случае коллоидных растворов дисперсность ограничена определенными размерами частиц, которые условно находятся в области 10-7 – 10—9м..

Природные воды многих регионов России содержат примеси в коллоидном состоянии и являются непригодными в качестве источников питьевого водоснабжения. Для получения чистой питьевой воды, необходимо использовать физико-химические воздействия, приводящие к удалению примесей в коллоидном состоянии.

Целью настоящей работы является установление состава и свойств коллоидных частиц, наиболее распространенных в природных водах Западной Сибири.

Показано, что природные коллоидные растворы являются мицелярными, основными химическими компонентами которой являются ионы железа, кремния и органические вещества гумусового происхождения. Используя законы физической химии, представлена формула мицеллы, которая имеет вид

{[mFe(OH)3]nFeOH2+,zR-,2ySiO32-,4(y-x)Na+}-4x+2n-z (4x+z)Na+, 2nOH - ,

где Fe(OH)3 – ядро мицеллы, FeOH2+, R-, SiO32-– потенциалопределяющие ионы, Na+ и ОН - – противоионы.

Для определения заряда поверхности коллоидной частицы использовали уравнение Гельмгольца – Смолуховского:

где η – вязкость среды, ε – диэлектрическая проницаемость среды, U – линейная скорость перемещения частиц, Н – потенциал внешнего электрического поля. Полученное значение заряда поверхности, которое составило ─32мВ, говорит об устойчивости системы и сохранению состояния равновесия.

Используя закон Тиндаля по рассеянию света на мелких частицах, определен размер коллоидных частиц, который составил от 130 до 460 нм. Перечисленные характеристики получены на реальной артезианской воде северных районов Томской области.

Для целенаправленного изменения устойчивости коллоидных растворов исследованы, как свойства дисперсионной среды, так и свойства дисперсной фазы. Для изучения свойств дисперсионной среды в работе исследован ее химический состав и показано влияние электролита на устойчивость коллоидного раствора. Свойства дисперсной фазы определяются зарядом, размером и химическим составом коллоидной частицы.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1.  Показано, что растворы, содержание растворенные вещества в коллоидном состоянии обладают свойствами, связанными с размерами дисперсной фазы.

2.  Установлены физико-химические характеристики коллоидных растворов, такие как химических состав дисперсной фазы, заряд поверхности и размер частиц.

3.  Показано, что для получения более полной информации о свойствах природных вод, нужно использовать не только законы, связанные с химией растворов, но и законы коллоидной химии

Могильная Е. Д., Микаилова Д. А., 11 класс, Гимназия № 1, г. Новосибирск

Научные руководители: д. х.н. Е. В. Третьяков, Институт «Международный томографический центр» СО РАН; А. О. Суворова, студентка 5 курса ФЕН НГУ

Автоколебательные химические реакции

Автоколебательные реакции – класс химических реакций, протекающих в режиме, при котором некоторые параметры реакции изменяются периодически. Одной из самых важных и известных автоколебательных реакций является реакция Белоусова-Жаботинского. Она нашла широкое применение в различных областях науки и техники.

Целью данной работы было проведение реакции Белоусова-Жаботинского и изучение влияния условий на её колебательный режим.

При проведении реакции мы несколько отступили от описанной в литературе методики, а именно, использовали другую соль церия: (NH4)2[Ce(NO3)6] вместо (NH4)2[Ce(SO4)3]. Тем не менее, это не помешало возникновению концентрационных колебаний в реакционной смеси, хотя при этом наблюдалась другая динамика цветов.

Поскольку скорость химических реакций зависит от температуры, было интересно, как изменение температуры повлияет на автоколебательный процесс. Нами был проведён ряд экспериментов в температурном диапазоне 7–60 °С. Было показано, что при 7 °С реакция не начинается более чем 2 минуты, а при нагревании выше комнатной температуры происходит постепенное уменьшение периода колебаний.

Шмаков М. М., Назимов А. В., СУНЦ НГУ, г. Новосибирск

Научный руководитель: , преподаватель СУНЦ НГУ

Синтез и изучение свойств соли Фреми – стабильного неорганического свободного радикала

В 1845 г. французский химик Эдмонд Фреми (1814–1894) выделил соединение с эмпирической формулой K2S2O7N, которое в водных растворах имеет фиолетово-голубую окраску, а в кристаллическом состоянии – золотисто-желтую. После ряда исследований это явление объяснили, предположив, что анион соли Фреми существует в растворе в виде мономера с неспаренным электроном, делокализованным между атомами O и Nнитрозо-группы (то есть является нитроксильнымион-радикалом), а в кристаллическом состоянии находится в виде димера (по аналогии с NO2 и N2O4). Соль Фреми является одноэлектронным окислителем, используется в органическом синтезе для окисления фенолов, ароматических аминов и гидрохинонов в хиноны, для аналитического определения гидразина и гидроксиламина, как стандарт для калибровки радиоспектрометров, а также в исследованиях механизма действия антиоксидантов в качестве модели пероксильных радикалов. Однако это интересное соединение мало известно школьникам, даже тем, кто серьезно увлекается химией.

Принимая во внимание, что синтез соли Фреми не требует дорогостоящих, труднодоступных реактивов и сложного оборудования и при строгом соблюдении правил техники безопасности не представляет особой опасности, мы поставили перед собой задачу получить это соединение в лаборатории СУНЦ НГУ и исследовать некоторые его свойства. Синтез включал следующие стадии: (1) получение гидроксиламиндисульфоната натрия восстановлением нитрита натрия свежеприготовленным водным раствором бисульфита натрия в слабокислой среде; (2) окисление (SO3Na)2NOН перманганатом калия в аммиачной среде до нитрозодисульфоната натрия (SO3Na)2NO; (3) взаимодействие (SO3Na)2NO· с насыщенным раствором KCl с образованием соли Фреми, которая кристаллизуется в виде димера [(SO3K)2NO]2. Выход целевого продукта составил ~ 75% (в расчете на количество KMnO4). Изучая свойства соли Фреми, мы провели ряд опытов с ее водным раствором и димером, результаты которых приведены в таблице. Исходя из них, заключили, что, во-первых, гидролиз соли Фреми в водном растворе катализируется кислотами, а, во-вторых, соль Фреми может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Последнее обусловлено тем, что атом азота в соли Фреми находится в промежуточной степени окисления, равной -1.

Результаты изучения химических свойств соли Фреми

Реагент	Внешний эффект реакции
HСl (р-р)	обесцвечивание раствора (при добавлении HCl к твердой соли, кроме ее обесцвечивания, наблюдали выделение бурого газа)
KI	обесцвечивание раствора, выпадение бурого осадка I2
KMnO4/H+	обесцвечивание раствора
NaVO3/H+	появление желтовато-зеленой окраски, характерной для ионов V(III)
CsCl (нас. р-р)	обесцвечивание раствора, выпадение фиолетового осадка нитрозодисульфоната цезия (при охлаждении)

Синтезированное соединение исследовано также с применением спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и оптической спектроскопии в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн. С помощью спектроскопии ЭПР подтверждено, что его анион в водном растворе является стабильным свободным радикалом. На основе данных методов оптической спектроскопии в сочетании с молекулярным моделированием из нескольких возможных конфигураций димерного аниона твердой соли Фреми выбрана наиболее вероятная его структура.

Таким образом, мы убедились в том, что соль Фреми – удобный объект для демонстрации химических свойств азота в «необычной» степени окисления и свойств стабильных радикалов, а также для ознакомления школьников с современными физическими методами установления структуры химических соединений. Сформулированы рекомендации к постановке лабораторной работы, посвященной синтезу и изучению свойств соли Фреми для спецкурса «Неорганический синтез» в СУНЦ НГУ.

, СУНЦ НГУ, г. Новосибирск.

Научный руководитель: преподаватель кафедры химии СУНЦ НГУ В. О. Коротеев

Синтез тетрафторборатагексааммино кобальта(III)

Понятие о комплексных соединениях, как о частицах, состоящих из внутренней и внешней сфер, было введено швейцарским химиком А. Вернером (1866–1919) в 1892. Комплексные (координационные) соединения (КС) – соединения, особенностями которых является наличие центрального атома – акцептора электронов или иона (комплексообразователя), окруженного лигандами – донорами электронов, их число определяется координационным числом, что составляет внутреннюю сферу. КС могут быть как положительно или отрицательно заряженные частицы, так и не иметь заряда.

Катион гексааммино кобальта (III) можно использовать в качестве анионных рецепторов неорганических и органических оксо-анионов, а также фтор-анионов.

Целью данной работы являлся синтез тетрафторборатагексааммино кобальта (III), так как, не смотря на сравнительно простое строение, он не упоминается в литературе.

В литературе предлагается метод получения соединения с использованием реакции замещения хлорида гексааммино кобальта (III) с соответствующим молярным количеством тетрафторбората натрия:

[Co(NH3)6]Cl3 + nNaBF4 = [Co(NH3)6]Cl(3-n)(BF4)n,
где n=1-3 – количество моль тетрафторбората натрия на один моль исходного комплекса. Но реакция останавливается на стадии замещения одного атома хлора на группу [BF4]-.

Синтез, предложенный нами, включал несколько стадий: (1) синтез [Co(NH3)6]Cl3 воздействием NH4Cl, NH3(aq) на CoCl2*6H2O при пропускании через систему кислорода воздуха[3]; (2) синтез HBF4, реакцией между HF и B2O3; (3) получение [Co(NH3)6][BF4]3, взаимодействием между водными растворами HBF4 и [Co(NH3)6]Cl3. (4) фильтрация осадка и промывание спиртом.

Вещество было охарактеризовано методами ИК спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской дифракции.

В результате данной работы было получено оранжевое кристаллическое вещество, по данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии имеющее состав CoN6B3F10 без учета водорода и проявляющее характерные для [Co(NH3)6]3+ и [BF4]- полосы погложения в спектрах ИК.

Токарев Антон, 11 класс, Лицей № 39 г. Нижний Тагил

Научные руководители: учитель химии высшей категории Е. Ю. Терехова, к. х.н., доцент

Исследование содержания ионов свинца в соке рябины

Нижний Тагил – крупный промышленный центр с населением около 400 тысяч человек, относится к городам экологического неблагополучия.

Автомобильный парк города с каждым годом увеличивается, следовательно, увеличивается и количество свинца в окружающем воздухе и почве. В результате чего ягоды и овощи накапливают свинец, а человек, употребляя их в пищу, накапливает тяжелый металл в организме.

Поэтому в данной работе в качестве объекта исследования мы выбрали рябину – это распространенное дерево, произрастающее в садах, огородах, во дворах. Плоды рябины потребляются в свежем виде, в виде варенья, джемов, киселей, настоек. Целью работы являлось: изучение содержание ионов свинца в соке рябины. Объекты исследования были собраны в Дзержинском районе города Нижнего Тагила: , район Дворца Ледового спорта, район лицея №39. Сбор проводился с 15–23 ноября 2011 г. После чего готовился свежевыжатый сок, который в свою очередь разбавлялся до слабовыраженной окраски, фильтровался и подвергался комлексонометрическому анализу. Попутно замеряли рН сока на рН-метре марки 340. Таким образом, мы проводили 3 повторных эксперимента, полученные данные усредняли. Анализ проводили следующим образом. К 100 мл пробы сока (делают 3 параллели) прибавляют 10 мл аммиачного буферного раствора. Пробы тщательно перемешивают и прибавляют пипеткой 10 мл трилона Б. На кончике шпателя вносят эриохром чёрный Т (окраска раствора синего цвета), титруют сульфатом магния концентрация 0,01 н до устойчивой вино-красной окраски. Содержание свинца в воде рассчитывали по формуле (мг/л воды):

, где – объем трилона Б, мл; – объем сульфата магния, мл; – объем пробы воды, мл; = М/2=207,2/2=103,6 г/Э.

Установлено, что содержание ионов свинца превышено нормы ПДК в среднем в 1,45 раза, поэтому данные образцы рябины нельзя использовать в пищу.

Разбавленный, сок рябины имеет нейтральную среду, поэтому подходит для употребления всем людям, даже с повышенной кислотностью желудка.

Исходя из полученных данных, мы пришли к выводу, что рябину в черте города лучше не использовать в пищу, т. к. экологическое состояние г. Нижний Тагил остается неблагополучным. Сбор рябины лучше проводить загородом, перед использованием ее в пищу тщательно промывать и вымачивать в воде.

Остается надеяться, что здравый смысл возобладает над индустриальным азартом, и удастся остановить массовое загрязнение окружающей среды свинцом, негативно влияющим на биохимические процессы живых организмов.

Лебедева Даша, 9 класс, Лицей № 39, г. Нижний Тагил

Научные руководители: учитель химии высшей категории Е. Ю. Терехова, к. х.н., доцент

Исследование содержания ионов свинца в снеговых водах Дзержинского района г. Нижнего Тагила

Многие экологический проблемы, связанные с функционированием автомобильного транспорта, носят региональный и локальный характер. Разработка и реализация эффективных мер повышения экологической безопасности автотранспорта является прерогативой местных администраций. К сожалению, в нашем городе проблема качества дорожного покрытия оставляет желать лучшего, а автопарк и количество заправок увеличивается, значит, увеличиваются и выбросы свинца в окружающую среду. Цель работы: исследовать содержание свинца в снеговых водах Дзержинского района г. Н-Тагила. Объекты исследования (снеговые воды) были собраны в Дзержинском районе г. Н-Тагила вблизи трех автомобильных заправочных станций. Сбор проводился 29 ноября, 7 декабря, 13 декабря 2011 года. После того как снеговая воды была собрана, ее профильтровали в целях улучшения качества титрования и проведения дальнейших расчетов. Определения pH воды проводили на pH-метре марки pH-340 при температуре 20º С.

Содержание тонов свинца определяли комплексонометрическим методом. Снеговая вода, собранная на АЗС на Исинском тракте, АЗС на ул. Зари – имеет нейтральную среду, а воды с АЗС на ул. Володарского – кислую среду. Результаты определения содержания свинца в снеговых водах сведены в таблицу.

Содержание свинца в снеговых водах Дзержинского района г. Н-Тагила

АЗС	m Pb, мг/л	ПДК, мг/л
1	2	3
№ 1 Исинский тракт	0,89	0,92	0,94	0,03
№ 2 ул. Зари	0,55	0,57	0,58
№ ул. Володарского	0,69	0,71	0,73

Из таблицы следует, что максимальное содержание свинца обнаружено на АЗС на Исинском тракте и АЗС на ул. Володарского, а минимальное на АЗС по ул. Зари. Все образцы превышают значение ПДК. К сожалению, статус экологически неблагоприятного города мы подтверждаем.

Высоцкая Е. В., Чайка И. Ф., МБОУ Лицей № 000, г. Новосибирск

Научный руководитель: м. н.с., , ИК СО РАН

Синтез коллоидных растворов, содержащих наночастицы золота заданного размера, и исследование их оптических свойств

История получения и исследования коллоидных растворов (золей) золота насчитывает почти 150 лет, однако сейчас открылись новые области их применения, в частности, в катализе. Наша работа в Институте катализа СО РАН связана с созданием способов приготовления золотосодержащих катализаторов, основанных на использовании в качестве исходного материала золей, содержащих монодисперсные частицы Au0 необходимого размера. В докладе рассмотрены результаты ее начального этапа, в ходе которого мы проверили некоторые описанные в литературе способы получения золей, содержащих сферические частицы Au0 определенного размера, и познакомились с методами его измерения.

Коллоидное золото получали восстановлением водных растворов HAuCl4боргидридом натрия NaBH4 в присутствии стабилизатора – поливинилового спирта (ПВС) либо реакцией водного раствора HAuCl4 с цитратом натрия Na3C6H5O7, который служит и восстановителем, и стабилизатором. В зависимости от силы и количества восстановителя приготовленные растворы имели разную окраску (от темно-рубиновой до голубой). Результаты определения среднего диаметра частиц Au0 (dm) в этих растворах методом фотон-корреляционной спектроскопии (ФКС) приведены в таблице. Значения dm в растворах, полученных с использованием NaBH4 в качестве восстановителя либо в присутствии большого избытка Na3C6H5O7 (Na3C6H5O7/HAuCl4 ³8.5), близки к значениям, приведенным в работах. Определить значения dm в растворах, приготовленных в присутствии сравнительно небольшого количества Na3C6H5O7 (Na3C6H5O7/HAuCl4=3¸5.5), не удалось из-за низкой концентрации Au0 в этих растворах. При исследовании растворов 1-3 методомоптической спектроскопии в УФ и видимой области наблюдали полосу поглощения с максимумом при n ≤20000 см-1, которую можно отнести к «плазмонному резонансу» (ПР), возникающему при падении света на поверхность высокодисперсных частиц Au°. С увеличением dm до 30 нм положение максимума полосы ПР монотонно смещается в сторону меньших значений n (см. Таблицу), вследствие чего цвет коллоидного золота изменяется от темно-рубинового до оранжевого. В спектрах растворов 4-6 наблюдали интенсивные полосы переноса заряда при 32000 и 45000 см-1, относящиеся к комплексам [AuCl4]-. Присутствие этих полос говорит о том, что если цитрат натрия берется в сравнительно небольшом избытке, восстановление [AuCl4]- до Au0 протекает в малой степени, и это может быть причиной низкой концентрации частиц Au0 в растворах

Характеристики коллоидных растворов золей золота, полученных в этой работе

№ п/п	Способ приготовления	Цвет раствора	dm± s (nm)б	n (см-1)
1	HAuCl4/NaBH4 = 1/57 моль/моль в присутствии ПВС	темно-рубиновый	<5 (5)	19 800
2	HAuCl4/Na3C6H5O7 = 1/46 моль/моль	красный	10.1±	19 300
3	HAuCl4/Na3C6H5O7 = 1/8.5 моль/моль	оранжевый	30.7±1	18 000
4	HAuCl4/Na3C6H5O7 =1/5.5 моль/моль	светло-зеленый	n.d.в(60)	~15 000
5	HAuCl4/Na3C6H5O7 =1/4.5 моль/моль	светло-зеленый	n.d. (80)	~15 000
6	HAuCl4/Na3C6H5O7 =1/3 моль/моль	голубой	n.d. (100-120)	~13 000

Где dm и s – среднемассовый диаметр частиц Au и ширина их распределения по размерам соответственно (по данным ФКС), n – положение максимума полосы ПР; б в круглых скобках указаны значения dm по данным [1,2]; вn. d. = не определено (nondetermined) ввиду низкой концентрации частиц Au0 в растворе.

4-6. Наличие полос ПР в области 13000–15000 см-1, позволяет предположить, что средний размер частиц Au° в растворах 4-6 существенно больше 30 нм, как и можно было ожидать, исходя из данных. Таким образом, мы выяснили, что, целенаправленно изменяя условия синтеза, можно получить золи золота с заданным средним диаметром частиц в диапазоне от 2–5 до 30 нм. Вместе с тем для синтеза золей со средним размером частиц Au0 >30 нм необходим поиск других способов. Кроме того, мы убедились, что окраску золей Au0 можно использовать для экспресс-оценки размера их частиц, и установили, что коллоидные частицы золота хемосорбируются на поверхности углеродного носителя. Это явление может быть положено в основу создания способов приготовления катализаторов Au/C с заданным размером частиц каталитически активного компонента.

Авторы благодарят доцента СУНЦ НГУ Б. Л. Мороза за помощь в обсуждении полученных результатов.

Широкова Вера, 11 класс, СОШ № 162 с углубленным изучением французского языка, г. Новосибирск

Научные руководители: к. х.н., доцент И. В. Мишаков, аспирант ИХКГ СО РАН Т. А. Максимова

Изучение значения рН воды в зависимости от условий её содержания

Известно, что на значение pH воды (водородного показателя или показателя кислотности: pH = - lg[H+], где [H+] – концентрация ионов водорода, выраженная в моль/л) влияет множество факторов. В первую очередь к ним относится температура и химический состав минеральных и органических примесей, растворенных в воде.

Целью настоящей работы было изучение влияния внешних условий на значение рН воды. Для анализа были отобраны следующие пробы воды: водопроводная (природная вода, прошедшая стадию очистки), природная (речная и озёрная) и дистиллированная («чистая» вода). Значение рН измеряли с помощью рН-метра (точность определения – 0,1). Отбор и анализ водопроводной воды проводили в январе 2011 г. на кафедре общей химии ФЕН НГУ, дистиллированной воды – в январе 2012 г. на кафедре физической химии ФЕН НГУ при участии автора. Отбор природной воды осуществляли в июле и сентябре 2011 г. в ходе двух экспедиций на реки Уень, Чаус, Обь и близлежащее озеро, находящихся к северо-востоку от посёлка Скала Колыванского района Новосибирской области. Измерение pH проб воды из экспедиций проводили студенты кафедры инженерных проблем экологии ФЛА НГТУ.

В среднем водопроводная вода имеет нейтральную среду, причём вода из домов в микрорайоне «Щ» источником которой служит вода из Обского водохранилища, имеет слабощелочную среду (pH ~ 8), а вода из артезианских источников– близкое к нейтральному значение pH.

Природная вода, отобранная из рек вблизи пос. Скала (изученные природные водоёмы относятся к бассейну реки Обь), в среднем имеет более щелочную по сравнению с водопроводной водой реакцию (pH ~ 9). Слабощелочная реакция природной воды объясняется присутствием в ней анионов слабых кислот, связывающих ионы H+. Существенно более кислая по сравнению с речной водой среда озера (близкая к нейтральной), по-видимому, объясняется обнаруженным в ходе экспедиций повышенным содержанием ионов железа и марганца в нём. Вероятно, по этой же причине водопроводная вода в среднем более кислая, чем речная.

Как видно, ни водопроводная, ни природная вода не имеют нейтрального значения pH, характерного для чистой воды, не содержащей примесей. Казалось бы, значение pH = 7 можно получить при определении pHдистиллированной воды. Мы провели измерение, и оказалось, что при получении (и просто хранении) чистой воды на воздухе в ней растворяется углекислый газ, что приводит к её подкислению до pH ~ 5,7. Концентрация растворённого CO2 в воде и образующихсяH+ может быть подсчитана теоретически, причём расчётное значение хорошо согласуется с измерением Удаление CO2 путём кипячения приводит к значению pH, близкому к речной воде.

На основании проделанной работы можно сформулировать выводы о влиянии внешних условий на pH воды:

1. Даже в отсутствие каких-либо примесей pH воды на воздухе может меняться за счёт растворения в ней газов. Так, присутствие в атмосфере углекислого газа приводит к подкислению дистиллированной воды.

2. Природные водоёмы в среднем имеют слабощелочную среду, что, вероятно, объясняется наличием в воде анионов слабых кислот, например, гидрокарбонатов кальция и магния.

3. рН водопроводной воды имеет в среднем более кислую по сравнению с речной водой реакцию, что объясняется наличием в ней катионов таких металлов как железо и марганец.