Изучение коагуляции коллоидных систем на основе фуллерена С60 и использование порога коагуляции для количественного анализа систем на их основе - Курсовая работа

Разработка новых материалов всегда была тем фактором, который отделяет мечты и фантазии об улучшении человеческой жизни от реального их воплощения и внедрения. Такие структуры как нанотрубки и фуллерены дают новые возможности в изготовлении материалов. Так, например, введение в матрицу алюминия и меди фуллерена С60 способствует повышению износостойкости материала без потерь электропроводимости, что позволяет изготавливать из него подвижные электроконтакты [1]. Более важный пример - медицина: предполагается использование фуллеренов в качестве носителей лекарств для точной их доставки к необходимому месту в организме. Поэтому для успешного развития вышеупомянутых перспектив требуется тщательное изучение всех важных свойств водных коллоидных растворов на основе модификаций углерода и, прежде всего, фуллерена.Но в данной работе речь пойдет о Сбо (далее фуллерен). Впервые возможность существования высоко симметричной сфероидальной молекулы углерода, где пятиугольник был внедрен в качестве дефекта к обычной структуре графита, была продемонстрирована Дэвидом Джонсом в 60-ых годах прошлого века. Всего можно выделить три метода приготовления таких систем, встречающихся в литературе: метод замены растворителя; Метод встречается во работах связанных с фуллереном С60, при этом методика почти не отличается от вышеприведенной, отличаются только органические растворители. Метод реализуется в работах [3], [5] и [6], где отличается только диаметром пор фильтра в зависимости от частиц которые были нужны в конкретной работе.Выведение количественных характеристик процесса коагуляции всегда было затруднительным ввиду слишком юольшого количества факторов влияющих на процесс. Таким образом, выделяют три области коагуляции: зону устойчивости, медленной коагуляции и быстрой коагуляции. Объснить эту закономерность можно исходя из того, что в процессе диффузии частицы хаотично блуждают, обладая при этом энергией близкой к КТ. Случайные перекрывания полей наиболее «горячих» частиц приводит к их соединению. В области быстрой коагуляции все столкновения являются эффективными, что значительно упрощает расчет скорости коагуляции.Объекты исследования в данной работе выбирались исходя из вышеупомянутых методов получения коллоидных систем на основе фуллерена С60. выступили два типа коллоидных систем полученных разными методами. Растворы С60 первого типа (далее Ф1) были получены диспергационным методом по методике Дегучи [7], описанной выше. Этот метод был выбран ввиду своей простоты реализации, перспективности, а также ввиду отсутствия достаточного количества исследований систем полученных таким образом. В процессе приготовления Ф1 было замечено, что самые качественные коллоидные системы получаются из малых навесок (от 0,5 до 5 мг) С60. Критерием качества каждой системы служит спектр поглощения в УФ области.Для систем Ф1 начальная концентрация не была известна, поэтому требовался эталонный метод для ее оценки. Осуществлялось это следующим образом: фильтр, через который пропускался раствор предварительно взвешивался, после использования высушивался 5 суток. Если руководствоваться литературными данными, концентрация С60 в рабочем растворе составляет 1,84•10-6 моль/л. Для системы Ф2 задача значитеьно упростилась так как концентрация там была заранее известна - 2,38•10-4 моль/л. Из рисунков видно, что для систем Ф2 при концентрации 2,38•10-6 моль/л порог коагуляции составляет 0,2 моль/л, а для систем Ф1 при концентрации 2,38•10-4 моль/л он составляет 0,56 моль/л.Для проверки влияния красителей на С60 были выбраны следующие красители: акридиновый оранжевый (АО), пинацианол (ПИН) и нейтральный красный (НК). Выбор именно этих красителей обусловлен тем что что в кислой форме их молекулы обладают положительным зарядом, а поверхность С60, как известно из опытов и литературы, заряжена отрицательно. Следовательно есть основания ожидать связывания этих красителей с С60. Проверить это можно путем определения кажущейся константы ионизации этих красителей. 10 изображены спектры Ф2 в среде акридинового оранжевого, но за вычетом спектра самого красителя, и просто в воде.Получены калибровочные зависимости порога коагуляции от концентрации, применимые для количественного анализа коллоидных систем на основе С60 полученных диспергационным методом, а также методом замены растворителя.

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Фуллерен: история открытия и описание молекулы

1.2 Методы приготовления лиофобных систем на основе С60

1.3 Методы количественного анализа применимые для коллоидных растворов на основе С60

1.4 Кинетика быстрой коагуляции. Теория Смолуховского

2. Экспериментальная часть

2.1 Рабочие коллоидные растворы

2.2 Расчет коэффициента молярного светопоглощения для полученных систем

2.3 Исследование устойчивости полученных систем по отношению к электролитам, получение зависимости порога коагуляции от концентрации С60

2.4 Исследование взаимодействий полученых систем с красителями

Выводы

Список используемой литературы

Разработка новых материалов всегда была тем фактором, который отделяет мечты и фантазии об улучшении человеческой жизни от реального их воплощения и внедрения. Углерод - один из тех элементов который эти материалы нам щедро поставляет. И хотя он уже давным давно на службе у человека в виде графита и алмаза, его потенциал на этом далеко не исчерпывается. Такие структуры как нанотрубки и фуллерены дают новые возможности в изготовлении материалов. Так, например, введение в матрицу алюминия и меди фуллерена С60 способствует повышению износостойкости материала без потерь электропроводимости, что позволяет изготавливать из него подвижные электроконтакты [1]. Более важный пример - медицина: предполагается использование фуллеренов в качестве носителей лекарств для точной их доставки к необходимому месту в организме. Там они используются уже в виде коллоидного раствора. Поэтому для успешного развития вышеупомянутых перспектив требуется тщательное изучение всех важных свойств водных коллоидных растворов на основе модификаций углерода и, прежде всего, фуллерена.

Однако в процессе приготовления применения коллоидных систем на основе фуллерена возникает проблема определения его концентрации в растворе. Обзор современной литературы показывает, что применяющиеся для этого методы анализа являются либо сложно осуществимыми и требующими дорогостоящего оборудования или для водных систем совершенно непригодны. Данная работа призвана заполнить этот пробел.

Целью данной работы было определить коэффициенты молярного светопоглощения для коллоидных систем на основе фуллерена С60 в воде, опираясь на данные гравиметрического анализа. А также предложить альтернативный метод количественного анализа. В качестве такового рассмотрен метод определения порогов коагуляции. Кроме того в цели входило исследование характера взаимодействий коллоидных систем С60 разного происхождения с катионными красителями.

Чаще всего коллоидные растворы на основе фуллеренов получают методом замены растворителя, реже методом длительного перемешивания, новаторским в этой области является диспергационный метод. Поэтому объектами рассмотрения в данной работе выступают два типа коллоидных растворов фуллерена С60 полученных первым и последним методами.

1. Найдены оптимальные условия получения коллоидных систем С60 диспергационным методом.

2. Получены калибровочные зависимости порога коагуляции от концентрации, применимые для количественного анализа коллоидных систем на основе С60 полученных диспергационным методом, а также методом замены растворителя.

3. Гравиметрический метод непригоден для исследования коллоидных систем на основе фуллерена С60 ввиду слишком малых фигурирующих масс.

4. Выяснено, что метод получения коллоидных систем на основе фуллерена С60 сильно влияет на их свойства и характер взаимодействий с катионными красителями.

1. Керл P.O., Смолли Р.Э. Фуллерены // В мире науки. - 1991,- №12,- С. 14-24.

2. Сололов В.И., Фуллерены - новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства / В.И. Соколов, И.В. Станкевич // Успехи химии 62 (5) 1993.

3. C60 Colloid formation in aqueous systems: effects of preparation method on size, structure, and surface charge / L. Duncan , J. Jinschek , P. Vikesland // Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 173-178

4. Relating colloidal stability of fullerene (C60) nanoparticles to nanoparticle charge and electrokinetic properties / K. Loonchen, M. Elimelech // Environ. Sci. Technol. 2009, 43, 7270-7276

5. Influence of humic acid on the aggregation kinetics of fullerene (C60) nanoparticles in monovalent and divalent electrolyte solutions / K. Loonchen, M. Elimelech // Journal of Colloid and Interface Science 309 (2007) 126-13

6. Stable Colloidal Dispersions of C60 Fullerenes in Water: Evidence for Genotoxicity / A. Dhawan , J. S. Taurozzi, A. K. Pandey, W. Shan , S. M. Miller , S. Hashsham,V. V. Tarabara // Environ. Sci. Technol. 2006, 40, 7394-7401

7. Facile Generation of Fullerene Nanoparticles by Hand-Grinding / S. Deguchi, S. Mukai, M. Tsudome, and K. Horikoshi // Advanced materials - 2006, 18, 729-732.

8. Stable Dispersions of Fullerenes, C60 and C70, in Water. Preparation and Characterization / S. Deguchi, R. G. Alargova, K. Tsujii // Langmuir 2001, 17, 6013 - 6017.

9. First determination of C60 and C70 fullerenes and N-methylfulleropyrrolidine C60 on the suspended material of wastewater ef?uents by liquid chromatographyhybrid quadrupole linear ion trap tandem mass spectrometry / M. Farre, S. Perez, K. Gajda-Schrantz, V. Osorio, L. Kantiani, A. Ginebreda, D. Barcely // Journal of Hydrology 383 (2010) 44-51

10. Armarego, W. L. F.; Perrin, D. D. Purification of Laboratory Chemicals, 4th ed.; Butterworth-Heinemann: Oxford, 1996

11. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. Учеб. для вузов. Изд. 2-ое / Д. А. Фридрихсберг. - М. : Химия, 1984. - 368 с.

Размещено на .ru