Проектная химическая смена в образовательном Центре Сириус (подробно)
Как много вместил в себя этот путь длиной от 12 до 30-го ноября!
На обучение в рамках программы были приняты учащиеся 9–11-х классов (предпочтение было отдано ученикам 10-х классов), проявившие глубокий интерес к химии и продемонстрировавшие высокую результативность при освоении образовательной программы (что подтверждалось дипломами Всероссийской олимпиады школьников и олимпиад списка РСОШ) и в области научно-технологического проектирования (подтверждение — дипломы региональных и Всероссийских конференций и конкурсов исследовательских работ). Общее количество претендентов ~ 1300; 48 счастливцев оказались участниками этой особенной (в период пандемии!) проектной химической смены. Для осознанного выбора того или иного исследовательского проекта за 10 дней до начала смены на сайте Сириуса были размещены краткие презентации и аннотации предполагаемых проектов, а также методические указания к их выполнению.
На открытии проектной смены руководители защищали свои проекты, а участники в гугл-таблицу заносили свои приоритеты относительно выбора конкретного исследовательского проекта. На закрытии смены уже сами участники отстаивали свой выбранный и успешно выполненный проект; девять исследовательских проектов подготовлено для образовательной смены в Сириусе химиками; два проекта — физиками. Впервые за три года наших ноябрьских смен было реализовано такое содружество, и оно себя оправдало.
Диапазон тем исследовательских проектов широк и разнообразен.
«Пара жемчужин из богатого мира наночастиц: магнитная жидкость и коллоидное золото» (руководитель проекта Александр Александрович Ванин, к.х.н., доцент Института химии; волонтёр Алексей Смирнов). В ходе выполнения проекта участники познакомились с подходом «снизу-вверх» при создании наноматериалов: направленный химический синтез из ионов и молекул частиц нанометрового размера и последующем приготовлении коллоидных систем. Получены наночастицы магнетита, золота и серебра. Приготовлены коллоиды золота для аптоколориметрического определения антибиотиков. Получен магнитный абсорбент для поглощения ионов тяжёлых металлов. Разработан экспрессный и специфичный тест на антибиотики (Ампициллин); разработана методика определения содержания АФС в ГЛФ (АФС — активная фармацевтическая субстанция — фолиевая кислота; ГЛФ — готовая лекарственная форма — таблетки фолиевой кислоты (1 мг).
«Синтез люминесцентных металл-органических каркасных структур лантаноидов для создания флуоресцентных красок» (руководитель проекта Андрей Сергеевич Мерещенко, д.х.н., доцент кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения, Институт химии; волонтёр Александра Видякина). Синтезированы смешанные терефталаты Tb-Gd, Eu-Gd, Tb-Lu изоструктурны терефталату тербия Tb2(1,4-bdc)3·4H2O. Установлено, что смешанные терефталаты Eu-Lu при низких концентрациях (< 10 ат.%) европия изоструктурны терефталату лютеция Lu2(1,4-bdc)3·10H2O, а при высоких концентрациях европия — терефталату тербия Tb2(1,4-bdc)3·4H. При возбуждении смешанных терефталатов, содержащих тербий и европий, в полосу поглощения терефталат иона на 254 нм наблюдается интенсивная люминесценция ионов тербия (488, 543, 586, 622 нм) и европия (577, 590, 615, 651, 700 нм). Показано, что с увеличением концентрации европия/тербия в смешанных терефталатах до 10 % интенсивность люминесценции резко увеличивается, а затем плавно падает. Установлено, что ионы Pb2+, Cu2+, Cr3+ и Fe3+ тушат люминесценцию терефталатов тербия и европия, что позволяет использовать данные терефталаты в качестве люминесцентных сенсоров. Тушение более выражено для смешанных терефталатов Tb-Lu, Eu-Lu и Tb-Eu-Lu. Разработаны люминесцентные краски на основе терефталатов тербия и европия. С помощью данных красок подготовлена иллюстрация к работе.
«Хроматографический профиль антиоксидантов растений субтропического культур» (руководитель проекта Елена Андреевна Бессонова, к.х.н., доцент кафедры органической химии; волонтёр Анастасия Кравченко). В работе исследованы объекты субтропического происхождения (чай и сорта цитрусовых культур), произрастающие в Краснодарском крае, плоды и листья которых имеют в питании человека большое профилактическое, лечебное и диетическое значение, содержащие такие биологически активные компоненты, как полифенолы, аминокислоты, витамины, сахара и органические кислоты. Предложен экспрессный вариант определения кофеина, катехинов, аминокислот в чае и мандаринах методом ВЭТСХ с видеоденситометрическим детектированием. Изучена МГК-модель по профилям полифенолов и аминокислот селекционных и ферментированных сортов чая. Выявлены доминирующие аналиты (аминокислоты — серин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты, эпигаллокатехин галлат, эпикатехин галлат и галлокатехин), определяющие различие между сортами чая.
«Кристаллизация комплексных соединений из многокомпонентных растворов электролитов» (руководитель проекта Никита Александрович Богачёв, к.х.н., ассистент, Институт химии СПбГУ; волонтёр Максим Толмачёв). Цель проекта — выявить влияние свойств компонентов на состав, структуру и условия формирования кристаллосольватов в тройных системах. Проект реализован на стыке физической и неорганической химии и направлен на поиск закономерностей, управляющих формированием сольватов определённого состава и структуры в многокомпонентных растворах, содержащих органические растворители и соли элементов-комплексообразователей. В ходе выполнения проекта осуществлён синтез комплексов-сольватов для солей переходных элементов с распространёнными органическими растворителями, проведены исследования растворимости солей в смешанном растворителе, изучен состав и структуры комплексов, формирующихся в смешанном растворителе. Впервые определена растворимость солей в четырёх тройных системах: ZnCl2-DMSO-DMA, ZnCl2-DMSO-DX, ZnCl2-CdCl2-DMSO, CoCl2-DMSO-DMA; получено и структурно охарактеризовано новое соединение [Zn(DMSO)6][ZnCl3(DMSO)]2(DX); обнаружено формирование двойных солей в тройной системе CdCl2-ZnCl2-DMSO.
«Разработка и анализ перспектив нестандартных путей использования супергидрофобных покрытий» (руководитель проекта Вячеслав Борисович Рогожин, к.ф.-м.н., старший преподаватель СПбГУ; волонтёр к.ф.-м.н. Александра Андреевна Лезова). В ходе выполнения проекта удалось создать две модели искусственного лёгкого, а также предложить пути дальнейшего усовершенствования предложенных методик. Собрана и испытана установка, позволяющая опреснять морскую воду только за счёт энергии окружающей среды. Собрана и испытана установка по непрерывному отделению высоколетучих компонентов, которую можно применять непосредственно в биореакторе в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. Исследовано поведение ферромагнитных жидкостей на супергидрофобной поверхности и проанализированы возможности применения супергидрофобной поверхности в контакте с ферромагнитной жидкостью.
«Применение современных ионообменных материалов для разделения ионов редкоземельных элементов» (руководитель проекта Ольга Юрьевна Курапова, к.х.н., доцент Института химии; волонтёр Кристина Никифорова). При выполнении проекта участники познакомились с теоретическими и практическими аспектами протекания ионообменных процессов. Освоен синтез и анализ структуры ионообменных материалов методами РФА и гранулометрии. Проведено экспериментальное определение основных физико-химических характеристик ионообменных материалов (констант обмена, обменной ёмкости); найдены оптимальные условия для разделения смесей Zn2+ и Cu2+ достигнуто селективное разделение «дидима» на Pr3+ и Nd3+.
«Простые синтезы сложных материалов: получение функциональных электродных покрытий» (руководитель проекта Андрей Владимирович Калиничев, ассистент Института химии; волонтёр Николай Тюфтяков). Суть проекта в исследовании условий получения галогенид-серебряных электродов второго рода и апробация их в качестве электродов сравнения в прямой потенциометрии. Учащиеся освоили теоретические основы функционирования гальванических ячеек и электродов, химические и электрохимические методы получения нерастворимых покрытий для создания электродов второго рода и принципы их применения в качестве электродов сравнения; приобрели навыки измерений э.д.с. в простых гальванических ячейках и интерпретации электрического сигнала; создали работоспособные электроды сравнения на основе галогенидов серебра и осуществили количественную проверку их работоспособности в ходе прямой потенциометрии. Синтезированы галогенид-серебряные покрытия: хлоридные, бромидные, иодидные; созданы работоспособные электроды сравнения; установлены оптимальные значения концентрации и силы тока для успешного проведения синтеза; исследована методами микроскопии морфология полученных образцов.
«Ядерный магнитный резонанс в земном поле» (руководители проекта Александр Вячеславович Иевлев, научный сотрудник, Павел Алексеевич Куприянов, физический факультет СПбГУ). При выполнении проекта участники ознакомились с основными методами ЯМР и его особенностями в слабых магнитных полях. Проект был нацелен на изучение возможностей ядерного магнитного резонанса для неразрушающего изучения как физико-химических свойств различных веществ, так и исследования самой структуры вещества. Проведены измерения магнитного поля Земли с помощью низкополевого спектрометра; установлена временная вариация магнитного поля Земли, измеренная на внутреннем дворе школы; обнаружен градиент МПЗ на участке около школы; измерено магнитное поле на участке около школы и градиент МПЗ на участке около школы.
«Определение содержания тяжёлых металлов в почвах различных регионов России» (руководитель проекта Сергей Сергеевич Савинов, к.х.н., старший преподаватель кафедры аналитической химии Института химии; волонтёр Давид Кудряшов). Проект был направлен на получение практических навыков в области аналитической химии (количественного химического анализа). Установлено, что разные методики пробоподготовки дают различные результаты определения подвижных форм металлов для разных проб. Содержание углерода в почве Санкт-Петербурга 4,4%, в Сочи 1,6%. Актуальная кислотность в pH составляет 7,2 для Санкт-Петербурга, 7,9 для Сочи. Обменная кислотность в pH 5,5 для Санкт-Петербурга, 6,7 для Сочи. Содержание тяжёлых металлов (Mn, Zn, Pb, Co) в Санкт-Петербурге и в Сочи не превышает ПДК.
«Влияние растворителя на синтез и свойства металл-органических структур» (руководитель проекта Михаил Юрьевич Скрипкин, к.х.н., доцент кафедры общей и неорганической химии; волонтёр Александр Булдаков) В процессе выполнения проекта проведён синтез ряда металл-органических структур (MOF), содержащих в качестве металлоцентров ионы переходных металлов, а в качестве линкеров — бензол ди- и трикарбоксилат-анионы и 4,4’-бипиридин. Синтезировано более 50 синтезов металл-органических каркасных структур. Получено 15 уникальных МОФов; структура МОФов подтверждена методами РФА и рамановской спектроскопии; выявлены зависимости влияния состава растворителя на структуру исследованных МОФов.
«Синтез и изучение свойств азокрасителей» (руководитель проекта А. Н. Коронатов, аспирант, инженер-исследователь Института химии СПбГУ). Проект направлен на формирование у школьников представлений о взаимосвязи свойств органических веществ с их строением на примере ряда азосоединений. Освоены методы синтеза и изучены свойства азосоединений, а также связанных с ними классов органических веществ — аминов, солей диазония. Экспериментальные исследования включали синтез ряда азосоединений и изучение их спектральных и кислотно-основных свойств; синтез триазена; синтез изоксазолона и обсуждение механизма; подтверждение структуры с использованием спектров поглощения и протонно-магнитного резонанса. В завершение проекта с помощью синтезированных азосоединений проведена окраска образцов ткани.
В Программу были также включены научно-популярные лекции профессоров А. А. Карцовой (г. Санкт-Петербург) «Новые аллотропные модификации углерода» и Сергея Николаевича Яшкина (г. Самара) «Алмазоподобные углеводороды: путь длиною в век»; олимпиадные тренинги и проведение химической олимпиалы; музыкально-поэтический вечер и вечер химического эксперимента «Удивительное рядом» (Александр Булдаков).
Апофеозом стала научно-практическая конференция по итогам выполнения исследовательских проектов. Результаты всех исследований произвели на участников сильное впечатление (различие в баллах зрительского голосования не превысило 1–2). Но, в первую очередь, были отмечены четыре проекта, представление которых оказалось наиболее ярким и понятным.
I-е место получил проект «Определение содержания тяжёлых металлов в почвах различных регионов России».
II-е место разделили два проекта: «Пара жемчужин из богатого мира наночастиц: магнитная жидкость и коллоидное золото» (Получен магнитный абсорбент для поглощения ионов тяжёлых металлов. Разработан быстрый и специфичный качественный тест на антибиотики (Ампициллин)) и «Разработка и анализ перспектив нестандартных путей использования супергидрофобных покрытий» (Созданы две модели искусственного лёгкого и продемонстрирована их эффективность; предложены пути дальнейшего усовершенствования. Собраны и испытаны две установки, позволяющие опреснять морскую воду за счёт энергии окружающей среды и др.).
III-е место — «Синтез и изучение свойств азокрасителей» (Синтез азосоединений, исследование их кислотно-основных свойств; синтез триазена и изоксазолона; выявление механизма реакции получения изоксазолона. Подтверждение структуры полученных соединений с использованием спектров поглощения поглощения и протонно-магнитного резонанса).
И участники, и руководители проектов верили, что продолжение следует, поэтому главные слова, когда наступил день прощания, были: «До встречи!».
Руководитель проектной химической смены Проф. СПбГУ, д.х.н. Анна Алексеевна Карцова.
