МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
Кафедра физической химии
Образовательная программа повышения квалификации
для специалистов предприятий
наноиндустрии химического и биотехнологического профиля в области
автоматизированных производственных нанотехнологий
,
Под редакцией
ВЫДЕЛЕНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЛЕГКОГО ФУЛЛЕРЕНА С60 ИЗ СТАНДАРТНОЙ ФУЛЛЕРЕНОВОЙ СМЕСИ МЕТОДОМ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
Методические указания
Санкт-Петербург
2012
УДК 543.421
Чарыков, и идентификация легкого фуллерена С60 из стандартной фуллереновой смеси методом жидкостной хроматографии: Метод. указания /, . Под ред. - СПб.: - СПбГТИ(ТУ), 2012. - 12 с.
В методических указаниях представлена лабораторная работа по выделению и идентификации легкого фуллерена С60 из стандартной фуллереновой смеси методом жидкостной хроматографии.
Методические указания предназначены для слушателей, обучающихся по программе повышения квалификации для специалистов предприятий наноиндустрии химического и биотехнологического профиля в области автоматизированных производственных нанотехнологий, проходящих обучение в рамках профессионального модуля 5 «Современные технологии синтеза, анализа и автоматизированного управления производством углеродных нанокластеров» с освоением слушателями следующей профессиональной компетенции:
ПК-1 Разрабатывать ТП для синтеза и перенастройки производств ХБНМ заданного класса
Рецензент:
, д-р хим. наук, профессор кафедры технологии редких элементов и наноматериалов на их основе СПбГТИ(ТУ).
Утверждены на заседании учебно-методической комиссии факультета химии веществ и материалов 15 июня 2011 года
Рекомендовано к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ)
Предисловие
Образовательная программа (ОП) построена по функциональному назначению предприятий-заказчиков и по профилю выпускаемой ими продукции. В соответствии со спектром потенциальных предприятий-заказчиков ОП включает 8 профессиональных модулей. Внутренняя структура модулей построена по компетентностному принципу: профессиональные компетенции (ПК), формируемые в процессе обучения по каждому из модулей, предназначены для специалистов с различными должностными обязанностями и с разной квалификацией.
Таким образом, руководители профильных предприятий, руководители кадровых агентств, заинтересованные в участии в программе повышения квалификации, а также каждый конкретный специалист (работник предприятия-заказчика) имеют возможность самостоятельно сформировать образовательную траекторию для повышения квалификации, выбрав для освоения все предлагаемые компетенции или некоторые из них в соответствии с имеющимся квалификационным дефицитом. Обучение проходит по индивидуальным учебным планам. По результатам обучения слушатель, выполнивший все контрольные мероприятия и защитивший выпускную квалификационную работу, получает удостоверение о повышении квалификации.
Данный инструментарий придает программе гибкость (см. «Структура методического обеспечения»), позволяющую обеспечить выбор объекта изучения для определенного контингента слушателей – специалисты, инженеры, инженеры-технологи, бакалавры, магистры, относящиеся к управленческому, производственному и исследовательскому персоналу предприятий наноиндустрии (производственные директора, начальники цехов, инженеры-технологи, операторы процессов, диспетчеры, механики по обслуживанию КИП и автоматики, инженеры по качеству, исследователи и др.).
Программа повышения квалификации рассчитана на 275 часов, включая 120 часов аудиторной работы (лекции, практические занятия и лабораторные работы), 23 часа консультаций преподавателей, 22 часа контрольных мероприятий, 69 часов самостоятельной работы, 20 часов на производственную практику и 20 часов на подготовку итоговой квалификационной работы.
Структура методического обеспечения
СОДЕРЖАНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ | 4 |
| ||
| 1. | КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ХРОМАТОГРАФИИ | 4 |
| |
| 1.1. | По агрегатному состоянию фаз | 4 |
| |
| 1.2. | По механизму взаимодействия | 5 |
| |
| 1.3. | По цели проведения | 7 |
| |
| 1.4. | По способу ввода пробы | 7 |
| |
| 2. | ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 | 7 |
| |
| 2.1. | Цель работы | 7 |
| |
| 2.2. | Материалы и реактивы, необходимые для проведения работы | 7 |
| |
| 2.3. | Приборы и химическая посуда, необходимая для проведения анализа. | 8 |
| |
| 2.4. | Описание работы | 8 |
| |
| 2.5. | Оформление результатов работы | 10 |
| |
| 2.6. | Контрольные вопросы | 10 |
| |
| ЛИТЕРАТУРА | 11 |
| ||
ВВЕДЕНИЕ
Хроматогра́фия (от греч. χρώμα - цвет) — метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физико-химических свойств веществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами — неподвижной и подвижной (элюент). Название метода связано с первыми экспериментами по хроматографии, в ходе которых разработчик метода Михаил Цвет разделял ярко окрашенные растительные пигменты.
Основные термины и понятия относящиеся к хроматографии [1-3], а также области их применения были систематизированы и унифицированы специальной комиссией ИЮПАК. Согласно рекомендациям ИЮПАК, термин «хроматография» имеет три значения и используется для обозначения специального раздела химической науки, процесса а также метода. Хроматография - наука о межмолекулярных взаимодействиях и переносе молекул или частиц в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз. Хроматография - процесс дифференцированного многократного перераспределения веществ или частиц между несмешивающимися и движущимися относительно друг друга фазами, приводящий к обособлению и концентрационных зон индивидуальных компонентов исходных смесей этих веществ или частиц. Хроматография - метод разделения смесей веществ или частиц основанный на различиях в скоростях их перемещения в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз.
Колонка — содержит хроматографический сорбент, выполняет функцию разделения смеси на индивидуальные компоненты.
Элюент — подвижная фаза: газ, жидкость или (реже) сверхкритический флюид.
Хроматограмма — результат регистрирования зависимости концентрации компонентов на выходе из колонки от времени.
Детектор — устройство для регистрации концентрации компонентов смеси на выходе из колонки.
Хроматограф — прибор для проведения хроматографии
1 Классификация видов хроматографии
1.1 По агрегатному состоянию фаз
Газовая хроматография — разновидность хроматографии, метод разделения летучих компонентов, при котором подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу с большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не реагирует с неподвижной фазой и разделяемыми веществами.
- Различают газо-твёрдофазную и газо-жидкостную хроматографию. В первом случае неподвижной фазой является твёрдый носитель (силикагель, уголь, оксид алюминия), во втором — жидкость, нанесённая на поверхность инертного носителя. Разделение основано на различиях в летучести и растворимости (или адсорбируемости) компонентов разделяемой смеси. Этот метод можно использовать для анализа газообразных, жидких и твёрдых веществ с молекулярной массой меньше 400, которые должны удовлетворять определённым требованиям, главные из которых — летучесть, термостабильность, инертность, лёгкость получения. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют, как правило, органические вещества, поэтому газовую хроматографию широко используют как серийный метод анализа органических соединений.
- Главным прибором для этого метода исследований является газовый или жидкостной хроматограф. Схема хроматографа включает в себя: 1 — источник газа-носителя (подвижной фазы), 2 — регулятор расхода газа носителя, 3 — устройство ввода пробы, 4 — хроматографическая колонка в термостате, 5 — детектор, 6 — электронный усилитель, 7 — регистрирующий прибор (самописец, компьютер), 8 — расходомер.
Жидкостная хроматография. Принцип жидкостной хроматографии ВЭЖХ (англ. HPLC) состоит в разделении компонентов смеси, основанный на различии в равновесном распределении их между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна, а другая подвижна.
1.2 По механизму взаимодействия
В распределительной ВЭЖХ разделение происходит за счет разной растворимости разделяемых веществ в неподвижной фазе, как правило, химически привитой к поверхности неподвижного носителя, и в подвижной фазе - растворителе. Этот метод разделения наиболее популярен, особенно в случае, когда привитая фаза представляет собой неполярный алкильный остаток от C8 до C18, а подвижная фаза более полярна, например смесь метанола или ацетонитрила с водой. Это так называемая обращённо-фазная (обратно-фазная, или с обращением фаз) хроматография.
Ионобменная хроматография является более частным вариантом ионной хроматографии. Этот вариант хроматографии позволяет разделять ионы и полярные молекулы, на основании зарядов разделяемых молекул. Данный вид хроматографии позволяет разделить практически любые заряженные молекулы, в том числе: крупные - белки, малые—молекулы нуклеотидов и аминокислот. Часто ионообменная хроматография используют как первый этап очистки белков.
Ионообменная хроматография позволяет разделить молекулы, основываясь на ионных взаимодействиях. Неподвижная фаза имеет заряженные функциональные группы, которые взаимодействуют с анализируемыми ионизированными молекулами противоположного заряда. Этот вариант хроматографии классифицируется на два типа — катионную и анионную ионообменную хроматографию:
Катионная ионообменная хроматография задерживает положительно заряженные катионы, так как неподвижная фаза имеет отрицательнозаряженные функциональные группы, например, фосфат(PO43-). Анионная ионообменная хроматография задерживает отрицательно заряженные анионы, так как неподвижная фаза имеет положительно заряженные функциональные группы, например, +N(R)4.
Адсорбционная хроматография - вид хроматографии основанный на способности твёрдого вещества — неподвижной фазы — сорбировать примеси, находящиеся в подвижной фазе. При этом эффективность разделения примесей пропорциональна их величинам адсорбции при условиях эксперимента. Процесс взаимодействия может сопровождаться химическим взаимодействием примесей с неподвижной фазой, то есть хемосорбцией.
В эксклюзионной (ситовой, гель-проникающей, гель-фильтрационной) хроматографии молекулы веществ разделяются по размеру за счёт их разной способности проникать в поры носителя. При этом первыми выходят из колонки наиболее крупные молекулы (бо́льшей молекулярной массы), способные проникать в минимальное число пор носителя. Последними выходят вещества с малыми размерами молекул, свободно проникающие в поры сорбента.
Осадочная хроматография — метод хроматографии, основанный на способности разделяемых веществ образовывать малорастворимые соединения с различными произведениями растворимости. В качестве неподвижной фазы выступает инертный носитель, покрытый слоем осадителя; разделяемые вещества, находящиеся в подвижной фазе, вступают во взаимодействие с осадителем и образуют малорастворимые вещества — осадки. При дальнейшем пропускании растворителя происходят поочерёдно: растворение этих осадков, перенос вещества по слою неподвижной фазы, снова осаждение и т. д. При этом скорость перемещения осадка по неподвижной фазе пропорциональна его произведению растворимости (ПР). Хроматограммой в данном случае будет являться распределение осадков по слою носителя. В качестве примера можно привести разделение галогенид-ионов на носителе (силикагель, целлюлоза и т. д.), пропитанном солью серебра. Можно использовать для разделения осадков их неодинаковую растворимость в различных растворителях или в растворах с различной ионной силой.
Гель-хроматография - (синоним гель-фильтрация) - метод разделения веществ с разной молекулярной массой, основанный на различии скорости их диффузии в гелях; используется в молекулярной биологии, биохимии, микробиологии, вирусологии, клинической биохимии, например для разделения белков сыворотки крови.
1.3 По цели проведения
Аналитическая хроматография – для проведения химического анализа, препаративная хроматография – для получения лабораторных (граммовых количеств веществ/цикл), промышленная хроматография – для получения промышленных количеств веществ.
1.4 По способу ввода пробы
Элюентная хроматография (проявительная, редко элютивная) - наиболее часто используемый вариант проведения аналитической хроматографии. Анализируемую смесь вводят в поток элюента в виде импульса. В колонке смесь разделяется на отдельные компоненты, между которыми находятся зоны подвижной фазы.
Фронтальная хроматография. Смесь непрерывно подают в колонку, при этом на выходе из колонки только первый, наименее удерживаемый компонент можно выделить в чистом виде. Остальные зоны содержат 2 и более компонентов. Родственный метод — твердофазная экстракция (сорбционное концентрирование).
Вытеснительная хроматография. В колонку после подачи разделяемой смеси вводят специальное вещество-вытеснитель, которое удерживается сильнее любого из компонентов смеси. Образуются примыкающие друг к другу зоны разделяемых веществ.
2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.
2.1 Цель работы
Выделить легкий фуллерен С60 из стандартной фуллереновой смеси методом жидкостной хроматографии и идентифицировать его. Построить хроматограмму.
2.2 Материалы и реактивы, необходимые для проведения работы
1. Раствор стандартной фулереновой смеси, выделяемой из фуллеренсодержащей сажи, полученной по методу Кречмера (вариант метода, разработанный в [4-9]) концентрации (СV) ≈ 3 мг/мл следующего состава:
Массовая доля С60 (Х60) = 70±5 масс.%
Массовая доля С70 (Х70) = 28±5 масс.%
Массовая доля С76,78,…,n (Х60) = 2±0,5 масс.%
2. Norit AZO – уголь немодифицированный углеродный сорбент, производящийся из отходов овощеводства, средний размер гранул 200 мкм, насыпная плотность(ρv) ≈ 0,45÷0,50 г/см3.
3. О-ксилол (или 1,2диметилбензол) «чда».
3. Фильтры бумажные синяя лента.
2.3 Приборы и химическая посуда, необходимая для проведения анализа
1. Электронный спектрофотометр видимой и ближней УФ области (длины волн от 250 до 600 нм)
2. Кварцевые кюветы марки КУ с шириной 1 см (не менее 2 шт)
3. Весы электронные (точность взвешивания не менее 1 мг)
4. Цилиндр стеклянный 10 мл
5. . Колонка хроматографическая высотой не менее 10 см и диаметром 10мм
6. Коническая колба с пробкой (на шлифе) на 200 мл (2 шт.).
7. Герметично закрывающийся стеклянный стакан для слива растворителей
8. Стеклянные бюксы 20 мл (не менее 12 шт.)
9. Стеклянная воронка диаметром 50 мм
10. Пипетки стеклянные на слив 1 и 10 мл
2.4 Описание работы
Выделение легкого фуллерена С60 из стандартной фуллереновой смеси проводится с помощью немодифицированного углеродного сорбента Norit AZO методом жидкостной хроматографии по методике, разработанной в [9].
1. Отбор пробы пробы углеродного сорбента Norit AZO объёмом 8,0 ± 0,5 мл. Для этого взвешивают пустой бюкс с точностью ±5 мг, с помощью цилиндра отбирают указанный объём сорбента, переносят его в бюкс, взвешивают бюкс с сорбентом с точностью ±5 мг и определяют массу сорбента (с точностью ±7 мг) по формуле:
Δm = m1 - m0 (1)
где Δm - масса сорбента, г;
m0 – масса пустого бюкса, г;
m1 – масса бюкса с сорбентом, г.
Навеску сорбента переносят в коническую колбу на 200 мл, заливают ортоксилолом, распульповывают и выдерживают при комнатной температуре при периодическом перемешивании на время, пока осуществляется следующая операция.
2. Анализ исходного раствора и расчет нагрузки. Спектрофототометрическое определение фуллеренов проводится в соответствие с методикой, разработанной в [10, 11] и подробно изложенной в ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 1 [12]. Объём раствора стандартной фуллереновой смеси (V, мл) вводимой в колонку для хроматографического разделения рассчитывается исходя из нагрузки (Ксор) 10 мг фуллерена С70 на 1 г сорбента по следующей формуле:
V = Δm*Ксор*100/(CV*X70) (2)
где CV – общая концентрация фуллеренов в исходном растворе, определенная спектрофотометрическим методом,
а X70 – массовая доля фуллерена С70 в исходном растворе, также определенная спектрофотометрическим методом.
3. Загрузка колонки сорбентом. На ложное днище колонки вводят фильтр соответствующего диаметра и начинают заполнение колонки сорбентом через коническую воронку. При этом следует не допускать осушения слоя сорбента (некоторое количество растворителя (не менее 5 мм) всегда должно оставаться над слоем сорбента), что достигается регулированием скорости вытекания растворителя из колонки. Скорость вытекания растворов из колонки регулируют с помощью крана, расположенного в нижней части колонки. После количественного перенесения всей навески сорбента в колонку излишки ортоксилола выпускаются из колонки, при этом слой около 5 мм оставляют над слоем сорбента. Весь использованный при загрузке растворитель собирают в коническую колбу и по окончании загрузки закрывают её крышкой.
4. Хроматографическое разделение. Рассчитанное количество исходного раствора постепенно вводят в колонну при скорости элюирования 0,2÷0,3 мл/мин (≈ 2 колоночных объёма (объёма сорбента, загруженного в колонну) в час). Перед началом ввода исходного раствора нижний кран колонки устанавливают в положении, обеспечивающим заданную скорость вытекания при вводе в колонку чистого ортоксилола. Затем, как только излишки растворителя в колонне станут минимальны (около 5 мм оставляют над слоем сорбента), начинают ввод исходного раствора. Вытекающий из колонны раствор собирают по фракциям объёмом около 4 мл в бюксы (замена бюкса примерно через 15 минут) для последующего анализа. После того, как весь раствор пропущен через колонну, нижний кран перекрывают и анализируют все полученные фракции спектрофотометрически. По данным анализа строится выходные кривые сорбции фуллеренов в координатах Vуд – Сi, где Vуд есть отношение объёма вышедшего из колонны раствора к колоночному объёму, а Сi – концентрация соответствующего фуллерена в выходящем из колонны растворе (в отдельной фракции). Фракции, не содержащие фуллерена С70, объединяются. Рассчитывается масса выделенного чистого фуллерена С60(М60), мг. Определяется степень извлечения фуллерена С60 из смеси по формуле:
I = M60*10000/(CV*V*X60) (3)
2.5 Оформление результатов работы
Результаты работы оформляются в виде протокола испытаний:
Протокол
Число
ФИО слушателя,
№ группы
Наименование работы
m0 = г;
m1 = г;
Δm = г;
С60 = ……..мг/мл, Х60 = масс.%
С70 = мг/мл, Х70 = масс.%
СV = мг/мл.
№ бюкса | Объём раствора в бюксе | Общий объём вышедшего раствора | Vуд | С60 | С70 |
1 | |||||
2 | |||||
… | |||||
n |
Выходные кривые сорбции фуллеренов в координатах Vуд – Сi
М60 = мг,
I = %.
2.6 Контрольные вопросы
1. Основные термины хроматографии.
2. Классификация хроматографических методов.
3. Способы ввода пробы при хроматографии.
4. Газовая хроматография.
5. Жидкостная хроматография
6. Распределительная хроматография.
7. Адсорбционная хроматография.
8. Осадочная хроматография.
ЛИТЕРАТУРА
1. Большова, аналитической химии. Книга 1 / [и др.] ; под ред. . - М.: В. Ш. -2004. -361 с.
2. Юинг, Г. Инструментальные методы химического анализа / Г. Юинг. М.: Мир. 1989.
3. Васильев, химия. Ч.2. Физико-химические методы анализа / . М.: В. Ш. 1989.
4. Patient РСТ. WO 2005/087662 A1; N PCT/RU2005/000119; C01B 31/02. / A device for production a fullerene-containing black // Abdugaev R. M., Alekhin O. S., Gerasimov V. I., Losev G. M., Nekrasov K. V., Nikonov Yu. A., Soroka A. I. Charykov N. A. 2005.
5. Patient РСТ. WO 2005/070826 A1; N РCT/RU2005/000025; C01B 31/02. Method for production a fullerene-containing black // Abdugaev R. M., Alekhin O. S., Gerasimov V. I., Losev G. M., Nekrasov K. V., Nikonov Yu. A., Soroka A. I. Charykov N. A. 2005.
6. Патент 2256608 Российская федерация, МПК C01B31/02. Способ получения фуллеренсодержащей сажи/ , , ; заявитель и патентообладатель -производственное предприятие «Энергосберегающие технологии».- № 000/15, заявл. 23.01.2004; опубл. 20.07.2005, Бюл. № 20
7. Патент на полезную модель 39129 Российская федерация, МПК C01B31/00. Установка для получения фуллеренсодержащей сажи (варианты)/ , , ; заявитель и патентообладатель «Энергосберегающие технологии».- № 000/22, заявл. 18.03.2004; опубл. 20.07.2004.
8. Нанотехнологии – от теории к практике / [и др.] Журн. Инновации. -2007. - Т. 110, № 12. - C. 79-83.
9. Чарыков комплекс по получению фуллеренов / , , . Петербургский журнал электроники. -2007. - Т.53, № 4. - С.16-31.
10. Ponomarev N., Yudovich M. E., Charykov N. A. et al. Opt. a. Spectr. 2000. V.88. N2. P.195-197.
11. Solubility of Light Fullerenes in Organic Solvents K. N. Semenov [и др.] J. Chem. Eng. Data. -2010. - V. 55. - P. 13-36.
12 Чарыков, концентрации и фракционного состава фуллеренов в саже гравиметрическим и спектрофотометрическим методами: Метод. указания /, - СПб.: - СПбГТИ(ТУ), 2011. - 15с.
Кафедра физической химии
ВЫДЕЛЕНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЛЕГКОГО ФУЛЛЕРЕНА С60 ИЗ СТАНДАРТНОЙ ФУЛЛЕРЕНОВОЙ СМЕСИ МЕТОДОМ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
Методические указания
Николай Александрович Чарыков
Виктор Анатольевич Кескинов
Отпечатано с оригинала макета Формат 60х90 1/16.
Печ. л. 0,75 Тираж 50 экз.
Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(Технический университет)
