Программа дисциплины дс методы разделения и концентрирования Форма обучения: дневная для студентов специальности 020101 «Химия» направления 020100 «Химия\ специализации «Аналитическая химия»

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

㡵Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ОБНИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИАТЭ)

	УТВЕРЖДАЮ
	Проректор по учебной работе С.Б. Бурухин
	“______”____________ 200__ г.

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

ДС.4. Методы разделения и концентрирования

Форма обучения: дневная

для студентов специальности 020101 «Химия»

направления 020100 «Химия"

специализации «Аналитическая химия»

Объем дисциплины и виды учебной работы по очной форме в соответствии с учебным планом

Вид учебной работы	Всего часов	Семестры
		8	9
Общая трудоемкость дисциплины	150	83	67
Аудиторные занятия	122	68	54
Лекции	52	34	18
Практические занятия и семинары
Лабораторные работы	70	34	36
Курсовой проект (работа)
Самостоятельная работа	28	15	13
Расчетно-графические работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)		зачет	экзамен

Обнинск 2008

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 020100 « Химия» специальности 020101 «Химия» специализации «Аналитическая химия»

Программу составили:

___________________ Г.М. Хомушку, доцент кафедры общей и специальной

химии

Программа рассмотрена на заседании кафедры Оисх (протокол № __ от __.__.200_ г.)

Заведующий кафедрой

Общей и специальной химии, профессор

___________________ В.К.Милинчук

“____”_____________ 2008__ г.

СОГЛАСОВАНО

Начальник Учебно – методического управления

___________________ Ю.Д. Соколова

“____”_____________ 2008_ г.

Декан

факультета естественных наук

___________________ Н.Б.Эпштейн

“____”_____________ 2008_ г.

1. Цели и задачи дисциплины.

Настоящий курс предназначен для студентов 4 и 5 курса факультета общей и специальной химии дневной формы обучения. Цель курса «Методы разделения и концентрирования» – освоение е студентами новых эффективных методов разделения и анализа сложных смесей веществ в контексте углубленного изучения методов, ранее рассмотренных в рамках курса «Аналитическая химия». Наряду с классическими методами дистилляции, экстракции осаждения изучаются методы внутрифазного разделения ( методы капиллярного электрофореза и масс-сепарации, хромато-масс-спектрометрия.), мембранные методы разделения, подробно изучаются различные варианты хроматографического метода анализа - газовая, жидкостная хроматография, в том числе высокоэффективная жидкостная, эксклюзионная, аффинная, сверхкритическая флюидная

Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

В результате изучения дисциплины студент должен

знать: теоретические основы методов разделения и концентрирования ;

уметь: подбирать оптимальную систему для разделения и концентрирования веществ различных классов, в том числе с помощью различных вариантов хроматографических методов анализа.

иметь навыки: безопасной работы в химической лаборатории; владеть приемами экстракции, дистилляции, осаждения, работы с колоночной и плоскостными вариантами жидкостной хроматографии, иметь навыки работы с газовым и жидкостным хроматографами.

3. Содержание дисциплины

3.1. Лекции

1. Общая характеристика методов разделения и концентрирования (2 часа)

Значение методов разделения и концентрирования , области применения. Классификация методов по природе процессов, лежащих в их основе. Классификация методов по числу и природе фаз матрицы и концентрата. Особенности многоступенчатых процессов разделения и концентрирования. Виды концентрирования. Понятие об абсолютном и относительном концентрировании, индивидуальном и групповом концентрировании.

Место разделения и концентрирования в аналитическом цикле. Взаимосвязь методов концентрирования и определения и объекта анализа. Сочетание концентрирования с методами определения: . Комбинированные и гибридные методы.

Количественные характеристики разделения и концентрирования. Коэффициент распределения, степень извлечения, коэффициент концентрирования и коэффициент разделения.

2. Экстракция (3 часа)

Общая характеристика экстракции. Особенности экстракции как метода концентрирования. Основные понятия и термины. Условия экстракции веществ.

Количественные характеристики экстракции: коэффициент распределения, степень извлечения, коэффициент разделения, константа распределения и константа экстракции. Закон распределения Нернста. Скорость экстракции и факторы, на нее влияющие.

Классификация экстракционных систем. Классификация, основанная на природе экстрагентов: кислотные, основные и нейтральные экстрагенты. Хелатообразующие экстрагенты.Классификация по типу экстрагируемого соединения : неионизированные соединения и ионные ассоциаты.

Способы осуществления экстракции : однократная, непрерывная и противоточная. Твердо-фазная экстракция.. Приборы для экстракции. Автоматизация экстракционных процессов.

Практическое использование экстракции. Пути увеличения избирательности экстракции..Синергетический эффект. Сочетание экстракции с методами определения. Экстракция в анализе важнейших объектов.

3. Сорбция (4 часа)

Особенности сорбции как метода концентрирования. Сорбенты, общие требования к ним . Виды взаимодействия сорбент- сорбат. . Классификация сорбентов по типу и по структуре поверхности. Параметры сорбции ; коэффициент распределения, емкость сорбента, изотермы сорбции. Кинетика сорбционных процессов.

Техника сорбционного концентрирования. Концентрирование в статических и динамических условиях. Концентрирующие патроны.

Неорганические сорбенты на основе углеродных материалов . Их характеристики. Примеры использования.

Неорганические сорбенты на основе ; оксидов и гидроксидов металлов ( силикагель, оксиды алюминия, титана и циркония, цеолиты).

Синтетические иониты. Основные типы, их характеристики.

Пористые полимерные сорбенты. Комплексообразующие сорбенты на полимерной основе. Химически модифицированные кремнеземы. Примеры использования сорбентов для выделения и концентрирования неорганических и органических соединений.

4. Методы осаждения и соосаждения. (2 часа)

Особенности концентрирования осаждением и соосаждением. Достоинства и недостатки. Виды осадков.Избирательное отделение матрицы. Соосаждение микроэлементов с коллектором. Механизмы соосаждения. . Требования к коллектору. Неорганические и органические соосадители. Примеры использования соосаждения для концентрирования органических и неорганических соединений.

.

5. Дистилляция. (2 часа)

Разделение веществ методом дистилляции . Теоретические основы метода, количественные закономерности: уравнение Клаузиуса-Клапейрона, законы Рауля, Коновалова. Ректификация. Сублимация. Используемая аппаратура. Области применения метода.

6. Мембранные методы разделения ( 2 часа)

Характеристика мембранных методов разделения. Основные движущие силы процесса. Преимущества мембранных методов разделения. Диффузионные, электромембранные и баромембранные методы. Разделительные мембраны : принцип действия, изготовление. мембран. Мембраны инертные и реакционные. Основные методы разделения: диализ, электродиализ, испарение через мембрану, , ультрафильтрация. Мембранное разделение газов.

7. Методы внутрифазного разделения ( 2 часа)

.Методы внутрифазного разделения : электрофорез, , ультрацентрифугирование, масс-сепарация. Масс-спектрометрия. Принцип метода.. Способы ионизации образца . Типы масс-анализаторов( магнитный анализатор, квадруполь , ионная ловушка времяпролетный анализатор). Основные характеристики масс-спектрометра. Сочетание масс-спектрометрии с хроматографией. Системы ввода образца для жидких и газообразных проб. Хромато-масс-спектрометрия. Использование метода для идентификации и анализа неорганических и органических соединений.

8. Хроматографические методы анализа ( 36 часов)

8.1 Теоретические основы хроматографии (8 часов)

8.1.1.Определение хроматографического метода. Основные принципы метода. Классификация по агрегатному состоянию фаз, механизму разделения, способу осуществления хроматографического процесса. Виды хроматографии: ситовая, молекулярная и хемосорбционная хроматография. Режим хроматографических процессов: фронтальная, проявительная (элюентная) и вытеснительная хроматография.

История возникновения хроматографического метода. Работы М.С. Цвета и других российских и зарубежных ученых. Современное состояние хроматографии. Возможности и области применения хроматографического метода. Значение хроматографического метода в аналитической и физической химии и технологии получения высокочистых веществ. . Общие представления о приборах и технике работы в аналитической и препаративной хроматографии. Основные типы хроматографов (лабораторные ,

стационарные, портативные, передвижные) (2 часа)

8.1.2 Основные параметры хроматографического опыта. Описание хроматограмм. Время удерживания, удерживаемый объем и их связь с коэффициентом распределения, их зависимость от температуры. Параметры удерживания. Теория равновесной хроматографии. Уравнение материального баланса в равновесной теории. Связь скорости перемещения вещества вдоль слоя неподвижной фазы с изотермой сорбции и коэффициентом распределения. Влияние формы изотермы на форму хроматографического пика. (1 час)

8.1.3 Эффективность хроматографического разделения. Размывание хроматографической полосы и его физические причины. Концепция теоретических тарелок в хроматографии. Эффективость хроматографической колонки. Понятие о высоте , эквивалетной теоретической тарелке. Кинетическая теория размывания хроматографических зон. Влияние на размывание полосы вихревой диффузии, молекулярной диффузии и сопротивления массопередаче в подвижной и неподвижной фазах. Уравнение Ван-Деемтера и его модификации. Пути повышения эффективности хроматографического разделения.

Критерии разделения хроматографических пиков. Селективность колонки и разделение. Разрешение, фактор разделения. Зависимость разрешения от эффективности, селективности и коэффициента емкости колонки. Выбор параметров хроматографического разделения и оптимизация разделения. (3 часа)

8.1.4. Аналитическое применение хроматографии

Идентификация соединений по индексам удерживания и их температурным зависимостям. Методы калибровки ( метод внешнего стандарта, внутреннего стандарта, метод нормировки).. Метрологические основы хроматографических измерений. Погрешности измерений. Приемы повышения чувствительности хроматографических определений. (2 час)

8.2. Газовая хроматография (ГХ).(4 часа)

Область применения. Теоретические основы метода. Закон Рауля. Уравнение Херингтона. Зависимость объема удерживания от температуры кипения. Влияние температуры на удерживание и разделение ГХ с программируемым изменением температуры . Сравнение дистилляционного и хроматографического методов разделения.

Газо-адсорбционная (газо-твердофазная) хроматография. Минеральные и полимерные адсорбенты. . Пористые и непористые адсорбенты : углеродные адсорбенты, адсорбенты на основе кремнезема, молекулярные сита, пористые полимеры. . Примеры применения газо-адсорбционной хроматографии.

Газо-жидкостная хроматография (ГЖХ).Объекты исследования. Носители и неподвижные жидкие фазы; типы межмолекулярных взаимодействий. Влияние природы жидкой фазы и природы разделяемых веществ на хроматографическое разделение. Полярность неподвижных фаз и их селективность. Шкалы полярностей жидких фаз, индексы удерживания. Носители в ГЖХ, роль пористой структуры и химии поверхности носителя. Модифицирование носителей. Типы колонок: насадочные, микронасадочные, капиллярные . Типы капиллярных колонок (PLOT, SCOT, WCOT)..Уравнение Голея для капиллярных колонок. Примеры применения ГЖХ для анализа сложных смесей.

Устройство газового хроматографа.Типы дозирующих устройств газов и жидкостей Парофазный анализ. Основные детекторы для газовых хроматографов:

- пламенно-ионизационный;- катарометр (детектор по теплопроводности);

фотоионизационный; электронного захвата; термоионный; пламенно-фотометрический; атомно-эмиссионный; масс-спектрометрический. Их механизм действия, основные характеристики: предел детектирования, диапазон линейности, инерционности, стабильность (уровень шума и дрейф).

Дополнительные устройства, расширяющие аналитические возможности хроматографов: концентраторы, пиролизеры, , дериватизаторы. Программное обеспечение хроматографов. Программы управления, программы обработки.

8.3 Жидкостная хроматография (ЖХ).( 6 часов).

Особенности разделения веществ методом ЖХ. Классификация методов ЖХ по способу осуществления процесса , механизмам разделения и эффективности. . Факторы, влияющие на эффективность хроматографических колонок в ЖХ (размер частиц, характер их упаковки, скорость потока и др.), способы получения высокоэффективных колонок. Понятие о высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Адсорбенты для ВЭЖХ. Модифицирование поверхности адсорбентов.

Жидкостно-твердофазная молекулярная хроматография (молекулярная жидкостно-адсорбционная хроматография -ЖАХ). Основные представления о механизме ЖАХ. . Вытеснительная модель Снайдера и Сочевинского. Роль химии поверхности адсорбента и природы подвижной фазы. Селективность ЖАХ. Элюирующая сила подвижной фазы, элюотропные ряды. Влияние природы и состава элюента на селективность разделения в ЖАХ..

Жидкостно-жидкостная (распределительная) хроматография (ЖЖХ). Нормально-фазовый и обращенно-фазовый варианты ЖЖХ. Носители, подвижные и неподвижные фазы. Модель удерживания Скота-Кучеры. Теория Хорвата. Элюотропные ряды и параметры силы растворителя. Оптимизация разделения в ЖЖХ. . Градиентное элюирование. Применение жидкостной распределительной хроматографии в анализе.

Ион-парная хроматография. Механизм ион-парной хроматографии. Факторы, влияющие на удерживание сорбатов. Оптимизация разделения. Применение ион-парной хроматографии в анализе органических и неорганических соединений.

Жидкостно-твердофазная ионообменная хроматография (ионообменная жидкостно-адсорбционная хроматография). Основные представления о механизме ионного обмена. Ионообменное равновесие. Константа равновесия, коэффициент селективности, коэффициент распределения, фактор разделения, методы их определения. Селективность ионного обмена. Кинетика ионного обмена. Неорганические и органические ионобменники, их классификация. Хелатообразующие ионообменники. Физико-химические свойства ионообменников: обменная емкость, набухание, химическая, термическая и радиационная устойчивость.

Ионная хроматография .Преимущества метода. Ионобменники для высокоэффективной ионообменной хроматографии. Системы подавления электропроводности элюэнта. Примеры применения ионной хроматографии для концентрирования, разделения и определения неорганических и органических ионов.

Приборы для жидкостной и ионной хроматографии.

Насосы высокого давления. Основные типы: плунжерные, шприцевые и пр. Системы для градиентного элюирования. Устройства для ввода проб без разрыва потока.

Детекторы:- спектрофотометрические, рефрактометрические, флуоресцентные;-электрохимические; ИКС с Фурье преобразованием; масс-спектрометрические.

8.4. Планарные варианты жидкостной хроматографии.( 2 часа)

Классификация методов. Способы получения хроматограмм. Основные механизмы разделения в планарной хроматографии .Особенности разделения веществ методом планарной хроматографии. Связь коэффициента распределения с величиной R_f . Носители, сорбенты и растворители, применяемые в этом методе. Способы нанесения пробы и анализа хроматограмм. Количественная оценка хроматограмм в тонких слоях и на бумаге. Двумерная хроматография. Особенности аппаратуры для тонкослойной хроматографии. Высокоэффективная планарная хроматография. Применение хроматографии в тонких слоях и на бумаге в аналитической химии

8.5. Эксклюзионная (ситовая ) хроматография ( 2 часа)

Механизм разделения. Гель-проникающая и гель-фильтрационная хроматография. Область применения. Основные закономерности Разрешение, селективность и эффективность. Константы распределения. Связь удерживания с размером макромолекул, калибровочные графики. Определение молекулярно-массового распределения. Сорбенты и подвижные фазы. Особенности аппаратуры для высокоэффективной эксклюзионной хроматографии Эксклюзионная хроматография полимеров и биополимеров.

8.6 . Капиллярный электрофорез. ( 1 час)

Основы метода. Преимущества и недостатки. Капиллярный зонный электрофорез (КЗЭ). Эффективность разделения в КЗЭ Факторы, влияющие на эффективность разделения.Область применения. Аппаратура для капиллярного электрофореза.(1 час)

8.7. Аффинная (биоспецифическая) хроматография (1 час)

Принципы аффинной хроматографии и ее применение. Адсорбенты и носители для аффинной хроматографии. Адсорбция и десорбция выделяемого продукта в аффинной хроматографии. Применение аффинной хроматографии для выделения, очистки белков, вирусов, ферментов.

8.8. Сверхкритическая флюидная хроматография (СКФ) ( 2 часа)

Особенности разделения веществ методом СФХ. Вещества, применяемые в СФХ в качестве подвижной фазы. Колонки и детекторы, применяемые в СФХ. Преимущества СФХ по сравнению с газовой и жидкостной хроматографией и области применения. Особенности аппаратуры сверхкритической флюидной хроматографии

8.9. Применение хроматографии для физико-химических исследований.( 2 часа)

Связь хроматографических параметров с теплотой и энтропией адсорбции. Применение хроматографии для изучения сорбционных явлений, структуры поверхности. Изучение строения химических соединений, хроматоскопия.

.

3.2. Лабораторный практикум

Раздел(ы)	Тема практического или семинарского занятия	Число часов
	Соосаждение. Концентрирование и определение микроколичеств никеля методом соосаждения	4
	Сорбционное концентрирование. Изучение кинетики адсорбции красителя на активированном угле	4
	Сорбционное концентрирование. Определение содержания различных ионов в растворах после концентрирования их на пенополиуретанах.	4
	Экстракция. Разделение смеси катионов Cu(II), Zn (II), Mg(II), MN(II), Al (III) методом экстракции.	4
	Экстракция. Определение эффективности простой и дробной экстракции.	4
	Концентрирование и определение микроколичеств меди методом цементации.	5
	Жидкостная колоночная хроматография. Разделение смеси меди и цинка с использованием катионита	5
	Жидкостная колоночная хроматография. Разделение смеси меди и железа с использованием катионита..	5
	Тонкослойная хроматография. Нахождение оптимальных условий разделения смеси веществ.	5
	Тонкослойная хроматография. Количественный анализ веществ методом ТСХ.	5
	Твердофазная экстракция как метод разделения и концентрирования микрокомпонентов. Разделение металлов с использованием патронов Диапак.	5
	Газовая хроматография. Нахождение оптимальных условий анализа.	5
	Газовая хроматография. Использование программирования температуры для анализа сложных смесей веществ.	5
	Высокоэффективная жидкостная хроматография. Нахождение оптимальных условий анализа смеси веществ	5
	Высокоэффективная жидкостная хроматография. Количественный анализ основного компонента и примесей в фармпрепаратах	5

3.4. Курсовые проекты (работы)

не предусмотрены

4.1. Рекомендуемая литература

4.1.1. Основная литература

4.1.1.1. Москвин Л.Н., Царицына Л.Г. Методы разделения и концентрирования

в аналитической химии. Л. «Химия»1991 ,256 с.

4.1.1.2. Карпов Ю.А., Савостин А.П. Методы пробоотбора и пробоподготовки. М. «Бином» 2003, 243 с

4.1.1.3. Основы аналитической химии. Книги 1,2. Под ред Ю.А.Золотова. М. «Высшая школа» 2002.

4.1.1.4..Данцер К., Тан Э., Мольх Д. Аналитика. Систематический обзор. М. «Химия» 1981,280 с.

4.1.1.5. Байерман К. Определение следовых количеств органических веществ. М «Мир» 1987, 429 с.

4.1.1.6. Концентрирование следов органических соединений. Сб.научных трудов. М «Наука» (Проблемы аналитической химии т Х). 1990,289 с.

4.1.1.7. Руденко Б.А.,Руденко Г.И. Высокоэффективные хроматографические процессы т 1,2. М. « Наука» 2003

4.1.1.8..Столяров Б.В., Савинов И.М., Витенберг А.Г. и др. Практическая газовая и жидкостная хроматография. СПб.: Изд-во С.-Петербург. ун-та, 2002.616 с.

4.1.1.9. Киселев А.В. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции и хроматографии. М. « Высшая школа», 1986. 360 с

4.1.1.10.Сакодынский К.И.,Бражников В.В, Волков С.А Зельвенский В.Ю., Ганкина Э.С., Шатц В.Д.. Аналитическая хроматография. М. « Химия», 1993. 464 с

4.1.1.11.Вяхирев Д.А.,Шушунова Л.Ф Руководство по газовой хроматографии М «Высшая школа»,1987, 335 с

4.1.1.12.Высокоэффективная газовая хроматография. Пер. с англ. / Под ред. Хайвера К. М. « Мир», 1993.150 с

4.1.1.13.Белявская Т.А., Большова Т.А., Брыкина Г.Д. Хроматография неорганических веществ. М. « Высшая школа», 1986.

. 4.1.1.14 .Шатц В.Д.,Сахартова О.В Высокоэффективная жидкостная хроматография Рига «ЗИНАТНЕ»1988. 350 с

4.1.2. Дополнительная литература

4.1.2.1. 100 лет хроматографии. Отв. Ред. Руденко Б.А. М «Наука»2003 ,739 с

4.1.2.2. Химия привитых поверхностных соединений Под ред. Лисичкина Г.В. М . «Физматлит» 2003, 592 с.

4.1.2.3. Лабораторное руководство по хроматографическим и смежным методам. Т. 1, 2 / Под ред. О.М. Микеша. М. « Мир», 1980.

4.1.2.4.. Стыскин Е.Л., Ициксон Л.Б., Брауде Е.В. Практическая высокоэффективная жидкостная хроматография. М. « Химия», 1986,343 с.

4.1.2.5. Гейсс Ф. Фундаментальные основы тонкослойной хроматографии. В 2 т. Изд-во Научного совета РАН по адсорбции и хроматографии, 1999.

4.1.2.6.. Руководство по капиллярному электрофорезу М.Науч.совет РАН по хроматографии 1996, 232 с

4.1.2.7. Сычев С.Н.,Сычев К.С.,Гаврилина В.А. ВЭЖХ на микроколоночных хроматографах серии Миллихром . Мин.образования РФ. Орловский гос.тех.университет. Орел 2002,200 с

4.1.2.8. Вигдергауз М.С. Расчеты в газовой хроматографии. М «Химия» 1978, 248 с

9. Перри С., Амос Р., Брюер П. Практическое руководство по жидкостной хроматографии. М. «Мир», 1974.250 с

4.2. Средства обеспечения освоения дисциплины

Не предусмотрены

5. Материально-техническое обеспечение дисциплины. Хроматографы газовый и жидкостный, реактивы и материалы.

Blog

Содержание