Научно-исследовательская деятельность как инструмент формирования высококвалифицированного специалиста-химика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет»

Научно-исследовательская деятельность как инструмент формирования высококвалифицированного специалиста химика

Каныгина О.Н., д-р физ.-мат.наук, профессор

Алпысбаева Г.Ж., Савинов В.В.

С каждым годом область человеческих знаний расширяется в геометрической прогрессии. Всё больше появляется знаний, опровергающих или ставящих под сомнение предшествующие, поэтому возникла необходимость формирования гибкой диалектической модели образования, позволяющей готовить конкурентоспособных высококвалифицированных специалистов.

Научно-исследовательская деятельность позволяет студенту развить такие компетенции как способность приобретать новые знания, адаптировать их под определенные аспекты своей работы, проводить научные исследования по сформулированной тематике. Особенный интерес вызывает формирование научных методологических подходов к изучению новых объектов и закономерностей с точным описанием рассматриваемых явлений и последующим представлением полученных данных.

В целом, компетенции специалиста химика включают в себя:

1) владение системой фундаментальных химических понятий и методологических аспектов химии, формами и методами научного познания;

2) способность применять основные естественнонаучные законы при обсуждении полученных результатов;

3) способность приобретать новые знания с использованием современных научных методов и владение ими на уровне, необходимом для решения задач, имеющих естественнонаучное содержание и возникающих при выполнении профессиональных функций;

4) владение современными компьютерными технологиями при планировании исследований, получении и обработке результатов научных экспериментов, сборе, обработке, хранении, представлении и передаче научной информации;

5) готовность представлять полученные в исследованиях результаты в виде отчетов и научных публикаций (стендовых докладов, рефератов и статей в периодической научной печати) [Учебный план 04.05.01 ФПХ(с)АХ].

Ни одна компетенция не может быть исключена из этого списка.

На первом этапе выполнения поставленных задач необходимо обобщить и систематизировать знания при помощи теории. Теория формулирует научные принципы и методы, которые позволяют обобщить и познать существующие процессы и явления, проанализировать действие на них разных факторов и предложить рекомендации по использованию их в практической деятельности людей. Любое научное исследование подразумевает использование определенных методов исследования, под которым понимают способ теоретического исследования или практического осуществления какого-либо явления или процесса.

В данной работе раскрываются аспекты приобретения профессиональных компетенций специалиста химика на примере нашего собственного опыта, полученного при написании научно-исследовательской работы по теме «Взаимосвязь химического состава и размерности дисперсных частиц природной глины Оренбуржья». Тема актуальна, поскольку в настоящее время глинам придается все большее значение как дешевому и недефицитному сырью для производства керамики. Одна и та же глина может служить для получения керамических материалов с различными комплексами функциональных характеристик. Для создания новых технологий, разработки новых керамических масс, прежде всего, необходимо изучить химический состав и структуру глины, определяющих свойства керамики. В связи с этим очень важен всесторонний анализ потенциала местного сырья, в частности, кирпичной глины, самой распространенной в Оренбургской области.

Цель работы - исследование влияния размеров и формы частиц глинистых минералов на химический состав природной глины Оренбуржья. Знание особенностей состава глины различной дисперсности дает возможность целенаправленно воздействовать на процесс синтеза новых керамических материалов с заранее заданными свойствами.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1 - оценка эквивалентных диаметров частиц природной глины методами количественной оптической микроскопии для четырех фракций;

2 - проведение силикатного и рентгеноспектрального анализов для определения химического состава каждой фракции глины, полученной путем ситового анализа.

Рассмотрим подробно содержание научно-исследовательской работы. Гранулометрический состав природной глины приведен в таблице 1.

Таблица 1? Гранулометрический состав кирпичной глины

Частицы глинистых минералов разделили на фракции с помощью ситового анализа. Изображения частиц всех четырех фракций приведены на рисунке 1. Для оценки размеров и формы частиц использовали дисперсионный анализ с применением методов площадей и случайных линейных секущих [1].

научный исследовательский студент химик

Рис. 1 Микроструктура образцов фракции A,B,C,D х 50.

Согласно результатам количественной оптической микроскопии, частицы фракции А со средним размером 600 мкм, (±50) имеют осколочную форму. Средний размер частиц, составляющих фракцию В, равен 300мкм, (±100). Частицы здесь имеют осколочную, сферическую и кубическую формы. Фракция С содержат частицы с размерами от 150 до 50 мкм (± 20), а D-менее 40 мкм. Для последних частиц количественных оценок нет.

Чтобы установить, действительно ли в одной и той же глине размеры частиц влияют на химический состав, провели и рентгеноспектральный, и силикатный анализы.

Элементное содержание металлов в пробах определяли на сканирующем кристалл-дифракционном Рентгенофлуоресцентном спектрометре «Спектроскан-LF» в первом порядке отражения с шагом 2 mЕ и экспозицией в 2 секунды. Все спектры имеют одинаковые наборы линий, что свидетельствует об одинаковом качественном химическом составе по элементам: Cu, Zn, Mn. Различие в интенсивности пиков можно объяснить разницей в количественных составах. Заметно различие в содержании железа для разных фракций. Наибольшее содержание железа в пробе D, наименьшее - в пробе В [2]. Полученный результат хорошо согласуется с результатами силикатного анализа.

Силикатный анализ относится к числу наиболее трудоемких анализов минерального сырья: он составляет 40% всего объема определений. В навеске силикатной породы обязательно определяют следующие показатели: влажность, потерю массы при прокаливании (п.п.п.), содержание кремниевых кислот, сумму «полуторных оксидов» (Al₂O_з + Fe₂О_з + МnО + TiO₂) и отдельно оксиды железа, алюминия, кальция и магния [3].

О количестве химически несвязанной влаги в алюмосиликатах W_хнв судят по потере массы пробы при ее высушивании (2 часа при Т=120?С). Потеря массы порошка при прокаливании дает возможность судить о количестве химически связанной воды и органических соединений (при 950⁰С, 0,5 ч). Полученные результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2. Зависимость гидратности от дисперсионного состава

С увеличением размера зерна уменьшается содержание химически несвязанной влаги, а потери при прокаливании, наоборот, увеличиваются.

Силикатный анализ проводился согласно схеме, которая была разработана нами в целях модернизации и упрощения методики.

Рис 2 ­ Общая схема определения отдельных веществ в навеске силиката

Для перевода глины в растворимое состояние проводят сплавление ее с карбонатами натрия и калия в платиновом тигле при 950 ?С (рис 2.а). Затем полученный плав обрабатывается соляной кислотой в соотношении 1:1 (рис 2.б).

Разложение алюмосиликатов ведут в двух параллельных пробах, т.к. фильтрат первой пробы используют для определения в нем индивидуальных оксидов металлов, суммы полуторных оксидов. Раствор плава второй пробы используют для определения в нем оксида кремния.

а) б) в) г)

Рис 3: а) плав в платиновом тигле после сплавления; б) растворение плава в соляной кислоте (выщелачивание); в) выпаривание полученного раствора до сухих солей; г) осадок кремниевой кислоты

Обработанный соляной кислотой плав переносят в фарфоровую чашку (рис 3.в), высушивают до сухих солей для выделения геля кремниевой кислоты. Затем обрабатывают дистиллированной водой для полного растворения солей, фильтруют, отделяя «кремнёвку», кремниевую кислоту (рис 3.г). Фильтрат идет на определение индивидуальных веществ. Весовая форма оксида кремния обычно имеет белый цвет, но иногда наблюдается буроватый оттенок вследствие адсорбции полуторных окислов. Для получения более точного результата проводят отгонку кремнёвки с плавиковой кислотой в платиновом тигле: кремний уходит в виде легколетучего фторида кремния, а оксиды металлов остаются в тигле, их затем растворяют в соляной кислоте и прибавляют к фильтрату. На осаждение полуторных окислов брали 50 мл раствора и обрабатывали 10% -ным водным раствором аммиака. Фильтрат содержит ионы кальция, магния, цинка. Осадок на фильтре растворяли в серной кислоте, в результате чего получили раствор, который использовали для определения в нем железа, алюминия, титана.

Абсолютная погрешность определений везде одинакова и равна ±0,1%. Результаты определения содержания оксидов приведены в таблице 3 и визуализированы с помощью диаграммы 1.

Таблица 3- Химический состав природной кирпичной глины

Согласно диаграмме 1, с увеличением размера зерен уменьшается доля кварца; доля оксида кальция почти не меняется. Рассмотрим более детально содержание других соединений в природной глине (диаграмма 2).

На основе анализа полученных результатов сделано заключение о взаимосвязи между размерностью частиц природной глины и их химическим составом. Силикатный анализ показал, что суммарное содержание оксидов зависит от размеров зерен.

На диаграмме 2 видно, что содержание оксидов алюминия и железа максимально в фракции D. что позволяет использовать тонкодисперсную глину с размерами зерен меньше 40 мкм для получения керамики с высокими прочностными характеристиками.

Фракции А и С имеют наименьшее содержание оксидов кремния, алюминия, кальция, железа и магния, следовательно, в них выше содержание легкоплавких оксидов. Фракции В и D представляют собой интерес как экономически выгодное сырье для получения керамики благодаря высокому содержанию в них оксидов кремния и алюминия, которые определяют такие свойства керамики как огнеупорность, стойкость, твердость, прочность.

Таким образом, применение экспериментального комплекса исследований, включающих оптический, гранулометрический и силикатный анализы кирпичной глины, позволяет разрабатывать химические составы керамических масс для получения керамик с уникальными свойствами.

Проведение исследовательских работ по направлению «Аналитическая химия» в течение учебного года позволяет не только получить опыт практической деятельности, но и учит самостоятельно планировать проведение экспериментальных работ, анализировать литературу и сопоставлять полученные данные с известными фактами, а также осваивать методы и подходы, позволяющие решить сформулированные цели и задачи работы [4].

Таким образом, научные исследования являются важнейшим инструментом получения системы знаний, умений и навыков, ведущих к развитию различных компетенций будущего специалиста в области химии.

Список литературы

1. Каныгина О.Н., Кравцова О.С., Четверикова А.Г., Кулеева А.Х., Сальникова Е.В., Волков Е.В., Шамбулатова А.Т. Фракционные составы кирпичных глин Оренбуржья// вестник Оренбургского государственного университета № 12(131)/декабрь 2011

2. Алпысбаева Г. Ж., Савинов В.В., Муратова Д.В. Взаимосвязь химического состава и размерности дисперсных частиц природной глины Оренбуржья: Тезисы докладов конференции «Ломоносов - 2018 г.»/.-Москва,2018.- 280 с.ISBN: 978-5-317-05797-8.

3. Сальникова, Е. В., Мурсалимова М. Л. Анализ минерального сырья: метод. указания; М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. агентство по образованию, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования "Оренбург. гос. ун-т", Каф. химии. - Оренбург: ОГУ, 2005. - 79 с.

4. Андреев, Г.И. Основы научной работы и оформление результатов научной деятельности: учебное пособие / Г.И. Андреев, С.А. Смирнов, В.А. Тихомиров.- М.: Финансы и статистика, 2003

Размещено на Allbest.ru