Инструментальные методы исследования в нефтехимии

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
И.о. проректора-начальник
управления по научной работе
_______________________ Г.Ф. Ромашкина
__________ _____________ 2011 г.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В
НЕФТЕХИМИИ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для аспирантов специальности 02.00.13 Нефтехимия
очной и заочной форм обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор (ы) работы _____________________________/ С.А. Паничев /
«______»___________2011 г.
Рассмотрено на заседании кафедры органической и экологической химии
«______»_____________2011 г., протокол №
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 12 стр.
Зав. кафедрой ______________________________/ С.А. Паничев /
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ
«______»_____________2011 г., протокол №
Соответствует ФГТ к структуре основной профессиональной образовательной программы
послевузовского профессионального образования (аспирантура)
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/ И.Н. Глухих /
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Нач. отдела аспирантуры
и докторантуры______________________М.Р. Сорокина
«______»_____________2011 г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра органической и экологической химии
Паничев С.А.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В НЕФТЕХИМИИ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для аспирантов специальности 02.00.13 Нефтехимия
очной и заочной форм обучения
Тюменский государственный университет
2011
Паничев С.А. Инструментальные методы исследования в нефтехимии.
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для аспирантов
специальности 02.00.13 Нефтехимия. Тюмень, 2011, 12 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с ФГТ к структуре
основной профессиональной образовательной программы послевузовского
профессионального образования (аспирантура).
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ: Инструментальные методы исследования в нефтехимии.
[электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой органической и экологической
химии. Утверждено и.о. проректора-начальника управления по научной
работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой органической и
экологической химии, д.п.н., профессор С.А. Паничев
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Паничев С.А., 2011.
1.
Пояснительная записка
1.1.
Цели и задачи дисциплины
Цель дисциплины: освоение современных инструментальных методов
исследования, применяющихся в нефтехимии и необходимых для эффективного освоения
основной
профессиональной
образовательной
программы
послевузовского
профессионального образования (аспирантура) по специальности 02.00.13 Нефтехимия и
подготовки кандидатской диссертации.
Задачи дисциплины: освоение аспирантами следующих вопросов:
 теоретические основы инструментальных методов (структурные
органических молекул, взаимодействие вещества с излучением);
 спектральные методы в нефтехимии;
 хроматографические методы в нефтехимии.
1.2.
модели
Место дисциплины в структуре ОПППО
Дисциплина «Инструментальные методы исследования в нефтехимии» относится к
циклу специальных дисциплин отрасли науки и научной специальности.
Для успешного освоения данной дисциплины обучающиеся должны владеть
теоретическими представлениями в области строения органических веществ, основами
спектральных и хроматографических методов.
Освоение дисциплины «Инструментальные методы исследования в нефтехимии»
необходимо для выполнения диссертационного исследования.
1.3.
Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс
компетенций:
изучения
дисциплины
направлен
на
формирование
следующих
Общие компетенции
• использование основных законов естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применение методов математического анализа
и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;
• владение основными методами, способами и средствами получения, хранения,
переработки информации, имение навыков работы с компьютером как
средством управления информацией.
Профессиональные компетенции
• понимание сущности и социальной значимости профессии, основных
перспектив и проблем, определяющих конкретную область деятельности —
нефтехимию;
• знание теоретических основ инструментальных методов исследования;
• владение навыками аналитического химического эксперимента и обработки
экспериментальных данных.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: теоретические основы спектральных и хроматографических
исследования; структурные модели органических молекул.
методов
Уметь: собирать и анализировать научную, технологическую и статистическую
информацию; планировать экспериментальные научные исследования в области
нефтехимии, обрабатывать экспериментальные данные, подготавливать к публикации
статьи и тезисы докладов.
Владеть: современными методами экспериментальных исследований в области
нефтехимии, методами математической статистики и математического моделирования,
информационными технологиями, в т.ч. методами работы с компьютером и электронными
базами данных.
2. Трудоемкость дисциплины
Дисциплина преподается в 5 семестре. Форма промежуточной аттестации — зачет.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 час.
3. Тематический план
Таблица 1
Тематический план
№
виды учебной работы и
самостоятельная
работа, в час.
лекции
семинарские
занятия
лабораторные
занятия
самостоятельная
работа
1
1
Всего часов
Тема
3
4
5
6
7
26
2
–
–
24
40
4
–
12
24
Хроматографические методы в
нефтехимии
42
4
–
12
26
Итого:
108
10
–
24
74
2
Теоретические основы
инструментальных методов
Спектральные методы в
нефтехимии
2
3
Формы
контроля
8
Опрос
Контр. работа
Опрос
Защита
лаборат. работ
Опрос
Защита
лаборат. работ
Таблица 2
Планирование самостоятельной работы аспирантов
№
Темы
1
Теоретические основы
инструментальных
методов
Спектральные методы
в нефтехимии
2
3
Хроматографические
методы в нефтехимии
ИТОГО:
Виды СРС
обязательные
Работа с литературой,
источниками
Подготовка к к/р
Работа с литературой,
источниками
Составление планов ЛР
Работа с литературой,
источниками
Составление планов ЛР
дополнительные
Объем
часов
Письменный опрос
(тест)
24
Письменный опрос
(тест)
24
Письменный опрос
(тест)
26
74
4.
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
п/п
1
5.
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
Подготовка диссертации
Темы дисциплины необходимых для изучения
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
+
+
+
Содержание дисциплины
Тема 1. Теоретические основы инструментальных методов
Основы учения о строении молекул. Стационарные состояния: электронные,
колебательные, вращательные, ядерные спиновые. Квантовые переходы между
стационарными состояниями, вероятности и правила отбора. Типы молекулярных
спектров: электронные, колебательно-вращательные, ЯМР, фотоэлектронные. Методы
регистрации и обработки спектров. Качественный, количественный и структурный
спектральный анализ.
Адсорбционные характеристики органических молекул. Хроматограмма и ее
характеристики, методы регистрации и обработки. Время удерживания и индексы
удерживания, их связь со строением молекул сорбата и сорбента. Основные методики
хроматографического анализа. Качественный, количественный и структурный
хроматографический анализ.
Тема 2. Спектральные методы в нефтехимии
Идентификация органических соединений спектральными методами: использование
УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии. Связь спектра с природой исследуемого вещества.
Возможности и ограничения.
Количественное определение органических соединений нефти и нефтепродуктов
спектральными методами. Чувствительность, селективность и точность анализа.
Специфика методики анализа в экологическом мониторинге.
Структурный спектральный анализ. Определение структурных фрагментов
молекулы (радикалы, функциональные группы, тип скелета, кратные связи и т.д.).
Использование спектральных методов для исследования структуры катализаторов
нефтехимических реакций.
Использование
спектральных
методов
для
исследования
механизмов
нефтехимических реакций.
Тема 3. Хроматографические методы в нефтехимии
Идентификация органических соединений хроматографическими методами:
использование ГЖХ- и ВЭЖХ-методов. Методы повышения качества хроматограммы,
подбор детекторов, колонок, неподвижных фаз, элюентов, температурных режимов.
Возможности и ограничения.
Количественное определение органических соединений нефти и нефтепродуктов
хроматографическими методами. Чувствительность, селективность и точность анализа.
Специфика методики анализа в экологическом мониторинге.
Структурный хроматографический анализ. Индексы удерживания, их связь со
строением молекул. Определение структурных фрагментов молекулы (радикалы,
функциональные группы, тип скелета, кратные связи и т.д.).
6.
Планы семинарских занятий.
Семинарские занятия учебным планом не предусмотрены
7.
Темы лабораторных работ. (Лабораторный практикум)
Тема 2. Спектральные методы в нефтехимии
Лабораторная работа № 1 (6 час.). Тема работы: Раздельное определение содержания
насыщенных и ароматических соединений в образце нефти. Объект исследования:
образец нефти или нефтепродукта (бензин, дизельное топливо, масло). Используемые
методы: снятие УФ- и ИК-спектров, их обработка и интерпретация.
Лабораторная работа № 2 (6 час.). Тема работы: Определение структуры молекулы.
Объект исследования: образец нефтяного ароматического углеводорода. Используемые
методы: снятие УФ- и ИК-спектров, их обработка и интерпретация, определение числа и
типа заместителей в ароматическом ядре молекулы.
Тема 3. Хроматографические методы в нефтехимии
Лабораторная работа № 3 (6 час.). Тема работы: Качественный анализ образца
нефтепродукта (бензин, дизельное топливо). Объект исследования: продажный бензин
или дизельное топливо. Используемые методы: получение хроматограммы с помощью
газового хроматографа. Идентификация компонентов смеси с помощью базы данных.
Вычисление относительного содержания компонентов в смеси.
Лабораторная работа № 4 (6 час.). Тема работы: Изучение кинетики реакции
алкилирования. Объект исследования: бутандиол-1,4, аллилхлорид, оксид пиридина.
Используемые методы: отбор проб реакционной среды, химический анализ продуктов
реакции (моно- и диаллиловый эфиры бутандиола), определение выхода продуктов,
вычисление активности и селективности катализатора.
8.
Примерная тематика курсовых работ.
Курсовые работы учебным планом не предусмотрены
Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы аспирантов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).
Основным принципом организации самостоятельной работы является комплексный
подход, направленный на стимулирование у аспирантов следующих видов деятельности
по получению компетенций:
репродуктивной – выполнение заданий по образцу с целью закрепления
теоретических знаний, формирования умений и навыков (прочтение, просмотр,
конспектирование, прослушивание, запоминание; ответы на вопросы для самопроверки;
повторение учебного материала, решение типовых задач);
реконструктивной – выполнение заданий с обязательным преобразованием
информации (подготовка к аудиторным занятиям, тематическим дискуссиям; подготовка
сообщений, докладов и выступлений на семинарских занятиях; подбор литературы;
выполнение контрольных работ; решение практических задач);
творческой – отбор и критический анализ информации (написание рефератов,
докладов; участие в научно-исследовательской работе, выполнение специальных
творческих заданий; подготовка проектов и слайдовых презентаций).
9.
Виды СРС
Работа с учебной и
методической литературой,
электронными источниками
данных (списки литературы в
разделе 11)
Подготовка к лабораторному
практикуму (тематика в
разделе 7)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Формы контроля СРС
Проверка и анализ конспектов лекций и учебной литературы
Письменные опросы (тесты) и контрольные работы
Составление планов лабораторных работ и их защита
Подготовка отчетов по лабораторным работам в виде протоколов и
проектов статей
Заслушивание и обсуждение устных докладов, сообщений, выступлений
Перечень контрольных вопросов для зачета
Стационарные состояния атомов и молекул: электронные, колебательные,
вращательные, ядерные спиновые. Квантовые переходы между стационарными
состояниями, вероятности и правила отбора.
Типы молекулярных спектров: электронные, колебательно-вращательные, ЯМР,
фотоэлектронные. Методы регистрации и обработки спектров. Качественный,
количественный и структурный спектральный анализ.
Адсорбционные характеристики органических молекул. Хроматограмма и ее
характеристики, методы регистрации и обработки. Время удерживания и индексы
удерживания, их связь со строением молекул сорбата и сорбента.
Основные методики хроматографического анализа. Качественный, количественный и
структурный хроматографический анализ.
Идентификация органических соединений спектральными методами: использование
УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии. Связь спектра с природой исследуемого вещества.
Возможности и ограничения.
Количественное определение органических соединений нефти и нефтепродуктов
спектральными методами. Чувствительность, селективность и точность анализа.
Специфика методики анализа в экологическом мониторинге.
Структурный спектральный анализ. Определение структурных фрагментов молекулы
(радикалы, функциональные группы, тип скелета, кратные связи и т.д.).
Использование спектральных методов для исследования структуры катализаторов
нефтехимических реакций.
Использование спектральных методов для исследования механизмов нефтехимических
реакций.
Идентификация
органических
соединений
хроматографическими
методами:
использование ГЖХ- и ВЭЖХ-методов. Методы повышения качества хроматограммы,
подбор детекторов, колонок, неподвижных фаз, элюентов, температурных режимов.
Возможности и ограничения.
Количественное определение органических соединений нефти и нефтепродуктов
хроматографическими методами. Чувствительность, селективность и точность анализа.
Специфика методики анализа в экологическом мониторинге.
Структурный хроматографический анализ. Индексы удерживания, их связь со
строением молекул. Определение структурных фрагментов молекулы (радикалы,
функциональные группы, тип скелета, кратные связи и т.д.).
Примерная тематика контрольных работ и опросов
1. Электронные переходы в органических молекулах
2. Колебательно-вращательные переходы в органических молекулах
3. Спиновые ядерные переходы в органических молекулах
4. Адсорбционные свойства органических молекул
5. Методы математической обработки молекулярных спектров
6. Методы математической обработки хроматограмм
7. Методы исследования катализаторов
8. Методы исследования механизмов нефтехимических реакций
9. Современные спектральные и хроматографические приборы
Примерные тесты и вопросы для самоконтроля
Спектральные методы:
1. Какие признаки положены в основу деления шкалы электромагнитных волн на
диапазоны и каковы особенности оптического диапазона?
2. Как связано волновое число с длиной волны ?
1)  = ;
2)  = –/2;
3)  = с/;
4)  = 1/..
3. Наибольшая энергия требуется:
1) для возбуждения электронов;
2) для возбуждения колебаний атомов в молекуле;
3) для возбуждения вращений молекулы;
4) для переориентации спинов ядер.
4. Каково соотношение между энергиями электронных Ее, колебательных Е и
вращательных Еr состояний молекулы?
1) Еe > Е > Еr ;
2) Е > Еr > Еe ;
3) Еr > Еe > Е ;
4) Еr > Е > Еe.
5. При рассмотрении спектров какого типа необходимо учитывать принцип ФранкаКондона?
1) ИК-.
2) вращательных.
3) КР-.
4) электронных.
6. В каких областях спектра наблюдаются электронно-колебательно-вращательные,
колебательно-вращательные и вращательные спектры?
7.
В каких областях спектра проявляются переходы
колебательными и вращательными состояниями молекул ?
между
электронными,
1) Колебательные — в ИК-области, вращательные — в УФ-области, электронные —
в микроволновой.
2) Колебательные — в микроволновой, электронные — в УФ-области, вращательные
— в ИК-области.
3) Колебательные — в ИК-области, вращательные — в микроволновой, электронные
— в УФ-области.
4) Колебательные — в УФ-области, электронные — в ИК-области, вращательные —
в микроволновой.
8. Методы анализа, основанные на измерении поглощенного образцом света, называются :
1) радиометрией ;
2) абсорбциометрией ;
4) турбидиметрией.
3) флюориметрией ;
Хроматографические методы:
1. Для какой цели проводят кондиционирование хроматографических колонок? Почему
эту процедуру проводят без подключения колонки к детектору?
2. Какое отношение диаметра колонки и размера зерен сорбента является оптимальным
для насадочных колонок?
3. Если объем колонки составляет 45 мл, какой объем насадки нужно взять для
заполнения колонки?
4. Какой
механизм лежит
в основе
обработки
минеральных
носителей
диметилдихлорсиланом, триметилхлорсиланом и гексаметилдисилазаном? В каком
случае образуются опасные газообразные продукты?
5. Если на хроматограмме время удерживания додекана и тетрадекана составляет 12,4 и
14,7 мин, соответственно, какое число теоретических тарелок для этой колонки будет
больше: рассчитанное 1) как по додекану так и по тетрадекану, 2) по додекану, 3) по
тетрадекану ?
6. Если ВЭТТ для металлической колонки (2 м  3 мм) заполненной полимерным
сорбентом Porapak N (80-100 меш) при анализе пробы пропана в гелии (С = 0,3 % об.)
составляет 8,3; 6,6; 2,1; 2,7; 4,5 и 5,4 мм при объемной скорости гелия 10; 13; 15; 20; 30
и 40 мл/мин, то какой будет оптимальная скорость газа-носителя для эффективного
разделения пропана, изобутана и н-бутана?
7. Можно ли определить мертвое время по воздуху детектором ДТП при использовании
хроматографической колонки, заполненной молекулярным ситом СаХ (колонка 2 м  3
мм, фракция сорбента 0,25-0,30 мм, скорость гелия – 15 мл/мин, температура
термостата: 45 С)?
8. Если анализируемую пробу (объемом 1 мкл) вводили в испаритель хроматографа
микрошприцами на 1 и 10 мкл по 5 раз, в каком случае среднее квадратичное
отклонение высот и площадей хроматографических пиков будет больше?
9. Какой фактор является определяющим при постоянном времени удерживания
анализируемого соединения (скорость газа-носителя, точность поддержания
температуры термостата колонок, одинаковая процедура ввода пробы микрошприцом в
испаритель)?
10. Если график зависимости исправленных времен удерживания нормальных
углеводородов додекан (С12) – тетракозан (С24) имеет перелом после элюирования С21,
что можно сказать о температурном режиме термостата колонки (капиллярная колонка
НР-5, 30 м  0,32 мм, линейная скорость гелия – 30 см/с)?
11. Какие соединения могут быть использованы в качестве стандартов при определении
индексов удерживания в биохимических исследованиях проб методом газовой
хроматографии?
12. Какая комбинация последовательно-работающих детекторов позволит определить
концентрацию метилтретбутилового эфира (МТБЭА) в бензине марки А-92?
13. Какой детектор предпочтителен при определении соединений серы в нефти и
нефтепродуктах?
14. Какова величина окна поиска индексов Ковача углеводородов в сложной смеси?
15. Какие неподвижные фазы можно использовать при установлении индивидуального
состава бензина методом капиллярной газовой хроматографии?
Критерии оценки СРС:
1) качество освоения учебного материала (умение студента использовать теоретические
знания при выполнении практических задач);
2) проработанность всех аспектов задания, оформление материала в соответствии с
требованиями, соблюдение установленных сроков представления работы на проверку;
3) степень самостоятельности, творческой активности, инициативности аспирантов,
наличие элементов новизны в процессе выполнения заданий.
Итоги СРС подводятся во время контрольных недель, сроки которых определяются
графиком учебного процесса.
10.
Образовательные технологии.
Виды учебной
работы
Аудиторные
занятия
Самостоятельная
работа
Образовательные технологии
а) Чтение лекций (мультимедийные и видео-демонстрации, письменное
тестирование по пройденному материалу (4 теста по 10 вопросов в каждом).
б) Проведение лабораторных занятий (разработка плана эксперимента,
групповое обсуждение и анализ проблем, мультимедийные демонстрации,
заслушивание и обсуждение устных докладов, сообщений, выступлений, встречи с
преподавателями других дисциплин).
в) Интерактивные технологии (групповые дискуссии, разбор конкретных
ситуаций).
г) Модульно-рейтинговая технология контроля успеваемости.
а) Изучение учебной и методической литературы, т.ч. поиск информации в
электронных сетях и базах данных, подготовка презентаций.
б) Подготовка к контрольным работам
в) Подготовка лабораторных работ к защите (с использованием мультимедийных
презентаций)
11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
11.1. Основная литература:
1. Вершинин В.И., Власова И.В., Никифорова И.А. Аналитическая химия. М.: ИЦ
«Академия». 2011.
2. Пупышев А.А. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. М.: Техносфера, 2009.
3. Тикунова В.И. Справочное руководство по аналитической химии и физико-химическим
методам анализа. М.: Высшая школа, 2009.
4. Сычев К.С. Практическое руководство по жидкостной хроматографии. М.: Техносфера,
2010.
11.2. Дополнительная литература:
1. Техническая документация по эксплуатации спектрофотометров и хроматографов,
используемых в практикуме.
2. Количественные методы в масс-спектрометрии / авт.-сост. И. Лаваньини [и др.]; пер. с
англ. Ю. О. Каратассо. М.: Техносфера , 2008.
3. Беккер Ю. Хроматография: инструментальная аналитика: методы хроматографии и
капиллярного электрофореза. М.: Техносфера , 2009.
4. Кудрявцев А.А. Практикум по спектроскопии [Электронный ресурс] - Электрон. дан. и
прогр. Тюмень: Изд-во ТюмГУ: Виндекс, 2008.
11.3. Периодические издания:
1. Вестник Омского университета.
2. Вестник Томского университета.
3. Вестник ТюмГУ.
4. Известия ВУЗов. Химия и химическая технология.
5. Известия РАН. Серия химическая.
6. Экологическая химия.
11.4. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
www.e-library.ru
www.chem.msu.su/rus/program
www.mirnefti.ru
www.neftekhimiya.ips.ac.ru
www.chemindustry.ru
12. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины
(модуля).
Лекции обеспечены мультимедийными презентациями и видеофильмами.
Для чтения лекций необходимо наличие аудиторий, оснащенных мультимедийной
техникой (компьютер, проектор и др.).
Для проведения лабораторных работ имеются оборудованные лаборатории
спектроскопии (117, корп. 5) и хроматографии (116, корп. 5).
Для самостоятельной работы аспирантов необходим доступ в компьютерный
класс, имеющий выход в Интернет.