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Carrier Dynamics of Dye-Sensitized Solar Cells by the Transient Grating Method

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Academic year: 2021

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(1)

大学教養化学実験のマイクロスケール化

-中央大学の試み-

Microscale experiment of chemistry

for undergraduate students

-Practice in Chuo University-

Kenji Katayama, Shota Kuwahara, Tahayuki Matsui,

Yutaka Saito, Sachiko Marui, Shinishi Fukuzawa

Chuo University

2013/3/22

日本化学会第93春季年会

(2)

Microscale experiment

Neutralization titration

New chemical education using small equipment

Environment friendly

Risk reduction

Short experiment time

Improvement of understanding

Electrolysis

Gas explosion

Grey, Egerton C (1928). Practical Chemistry by Micro-Methods.

El-Marsafy, M K (1989).

"Microscale Chemistry Experimentation"

Thompson, S.

"Small-Scale Chemistry"

.

National Small-Scale Chemistry Centre. Colorado State University.

By Prof. Ogino

(Japan)

(3)

Undergraduate chemistry experiments

in Chuo University

Basic Skill

実験第1 ガラス細工 実験第2 陽イオンの定性分析(I) 実験第3 陽イオンの定性分析(II) 実験第4 アルカリ混合物の定量(中和滴定) 実験第5 電位差法(pHメーター)を用いた酢酸の水酸化ナトリウムに よる滴定 実験第6 分光光度計によるリン酸イオンの比色定量分析 実験第7 ガスクロマトグラフィーによるアルコール含有量の測定 実験第8 薄層クロマトグラフィーを用いたアミノ酸の分離 実験第9 アセチルサリチル酸の合成 実験第10 メチルオレンジの合成:ジアゾ化反応とカップリング 実験第11 パソコンを利用した分子モデリング実験

Inorganic, Analytical

Analytical

Biological, Analytical

Organic

Physical

500 students / year

(4)

Microscale impact on Effluent

Ex. Neutralization titration

Effluent: 600 mL / student

×500

Sum:

300 L / year

! If similar 5 experiments,

Total:

1500 L / year

×75

Cost:

¥200,000 / year

(5)

Microscale impact on Education

Our campus

Improvement of environmental awareness

Chuo Univ.

The Tokyo Dome

Urban area

(6)

Introduction of microscale experiment

in Chuo University

実験第1 ガラス細工 実験第2 陽イオンの定性分析(I) 実験第3 陽イオンの定性分析(II) 実験第4 アルカリ混合物の定量(中和滴定) 実験第5 電位差法(pHメーター)を用いた酢酸の水酸化ナトリウムに よる滴定 実験第6 分光光度計によるリン酸イオンの比色定量分析 実験第7 ガスクロマトグラフィーによるアルコール含有量の測定 実験第8 薄層クロマトグラフィーを用いたアミノ酸の分離 実験第9 アセチルサリチル酸の合成 実験第10 ジアゾ化反応とカップリング 実験第11 パソコンを利用した分子モデリング実験

(7)

Introduction of microscale experiment

in Chuo University

実験第1 ガラス細工 実験第2 陽イオンの定性分析(I) 実験第3 陽イオンの定性分析(II) 実験第4 アルカリ混合物の定量(中和滴定) 実験第5 電位差法(pHメーター)を用いた酢酸の水酸化ナトリウムに よる滴定 実験第6 分光光度計によるリン酸イオンの比色定量分析 実験第7 ガスクロマトグラフィーによるアルコール含有量の測定 実験第8 薄層クロマトグラフィーを用いたアミノ酸の分離 実験第9 アセチルサリチル酸の合成 実験第10 ジアゾ化反応とカップリング 実験第11 パソコンを利用した分子モデリング実験

(8)

Quantitative analysis of metal cations (I)

 Content

Metal ions

To confirm the reaction,

from color and precipitation.

Indicator

(9)

Quantitative analysis of metal cations (I)

 Change to microscale exp

Test tube (~mL)

Petre dish or microtube (~mL)

(10)

Quantitative analysis of metal cations (I)

 Merit of microscale exp.

Revision Normalscale Microscale

Reagents 2~4 mL 50 μL~0.3 mL Effluent 250 mL 50 mL Equipments Test tube, 100 mL Beaker, Pepitte, Burner, etc. Petri dish, 10 mL Beaker, Microtube, Dropper,

Hot plate, etc.

Other merit

• To avoid spreading of acid and base

Reduction of

(11)

Introduction of microscale experiment

in Chuo University

実験第1 ガラス細工 実験第2 陽イオンの定性分析(I) 実験第3 陽イオンの定性分析(II) 実験第4 アルカリ混合物の定量(中和滴定) 実験第5 電位差法(pHメーター)を用いた酢酸の水酸化ナトリウムに よる滴定 実験第6 分光光度計によるリン酸イオンの比色定量分析 実験第7 ガスクロマトグラフィーによるアルコール含有量の測定 実験第8 薄層クロマトグラフィーを用いたアミノ酸の分離 実験第9 アセチルサリチル酸の合成 実験第10 ジアゾ化反応とカップリング 実験第11 パソコンを利用した分子モデリング実験

(12)

Quantitative analysis of metal cations (II)

 Content

Separation of

(13)

Quantitative analysis of metal cations (II)

 Change to microscale exp

Centrifugation

Before and After

Separation of

(14)

Quantitative analysis of metal cations (II)

 Merit of microscale exp.

Revision Normalscale Microscale

Reagents 10~30 mL 1 mL~3 mL Effluent 250 mL 50 mL Equipments 100 mL Beaker, Pepette, Funnel, etc. Test tube, Pipette, Centrifugation, etc.

Other merit

• Easy comparison of results

• Space saving

Reduction of

(15)

Introduction of microscale experiment

in Chuo University

実験第1 ガラス細工 実験第2 陽イオンの定性分析(I) 実験第3 陽イオンの定性分析(II) 実験第4 アルカリ混合物の定量(中和滴定) 実験第5 電位差法(pHメーター)を用いた酢酸の水酸化ナトリウムに よる滴定 実験第6 分光光度計によるリン酸イオンの比色定量分析 実験第7 ガスクロマトグラフィーによるアルコール含有量の測定 実験第8 薄層クロマトグラフィーを用いたアミノ酸の分離 実験第9 アセチルサリチル酸の合成 実験第10 ジアゾ化反応とカップリング 実験第11 パソコンを利用した分子モデリング実験

(16)

Titration of mixed alkaline solution

 Content

To quantify NaOH : Na

2

CO

3

by titration

Total alkaline

(17)

 Change to microscale exp

Safety measure improved

Titration of mixed alkaline solution

Burette

Pipette

pump

10 mL

Measuring

pipette

(18)

 Result

Titration of mixed alkaline solution

Winkler Warder x1 x2 x1’ x2’ x1’+x2’ 1 st [mL] 5.49 3.14 4.45 1.20 5.65 2 nd[mL] 5.53 3.21 4.40 1.15 5.55 3 rd[mL] 5.52 3.16 4.39 1.21 5.60 Average [mL] 5.51 3.17 4.41 1.19 5.60 Error [mL] 0.04 0.07 0.06 0.06 0.10

Error < 0.10 [mL]

(19)

 Merit of microscale exp.

Revision Normalscale Microscale

Reagents 20 mL 1 mL Effluent 1000 mL 150 mL Equipments Burette, 100 mL Conical flask, 100 mL Beaker, etc. Pipette pump, 10 mL Measuring pipette, 10 mL Conical Flask, etc.

Other merit

• Hazard avoidance

• Short experiment time

Reduction of

Reagents : 95%, Effluent : 80%

(20)

Introduction of microscale experiment

in Chuo University

実験第1 ガラス細工 実験第2 陽イオンの定性分析(I) 実験第3 陽イオンの定性分析(II) 実験第4 アルカリ混合物の定量(中和滴定) 実験第5 電位差法(pHメーター)を用いた酢酸の水酸化ナトリウムに よる滴定 実験第6 分光光度計によるリン酸イオンの比色定量分析 実験第7 ガスクロマトグラフィーによるアルコール含有量の測定 実験第8 薄層クロマトグラフィーを用いたアミノ酸の分離 実験第9 アセチルサリチル酸の合成 実験第10 ジアゾ化反応とカップリング 実験第11 パソコンを利用した分子モデリング実験

(21)

Synthesis of acetyl salicylic acid

O Content

Acetylation

Salicylic acid OH O OH C H3 O O CH3 O + OH O O CH3 O + H C 3 OH O Acetic acid

anhydride Acetylsalycylic acid

(22)

 Change to microscale exp

Synthesis of acetyl salicylic acid

Many samples were reacted at the same time

100 mL Conical beaker

Vial

(23)

 Merit of microscale exp.

Revision Normalscale Microscale

Reagents 2 g 0.2 g

Effluent 250 mL 100 mL

Equipments

100 mL Conical beaker, Water bath

Buchner funnel, etc.

Vial, Hot stirrer,

Kiriyama funnel, etc.

Other merit

• Many reactions at the same time

• Addition of isomer reaction

Reduction of

Reagents : 90%, Effluent : 60%

試薬量及び廃液量を1/2 程度に削減

合成実験時間を約1 時間短縮

吸収スペクトル実験の導入実現

(24)

Introduction of microscale experiment

in Chuo University

実験第1 ガラス細工 実験第2 陽イオンの定性分析(I) 実験第3 陽イオンの定性分析(II) 実験第4 アルカリ混合物の定量(中和滴定) 実験第5 電位差法(pHメーター)を用いた酢酸の水酸化ナトリウムに よる滴定 実験第6 分光光度計によるリン酸イオンの比色定量分析 実験第7 ガスクロマトグラフィーによるアルコール含有量の測定 実験第8 薄層クロマトグラフィーを用いたアミノ酸の分離 実験第9 アセチルサリチル酸の合成 実験第10 ジアゾ化反応とカップリング 実験第11 パソコンを利用した分子モデリング実験

(25)

Synthesis of azo dyes

 Content

NaNO2, HCl <5℃ Base

Coupling reaction with 2-naphthol

Diazotization

(26)

 Change to microscale exp

Synthesis of azo dyes

Easier temperature control  Improved reproducibility

Diazotization

100 mL Beaker

10 cm

Test tube

(27)

 Additional experiment

Synthesis of azo dyes

Color change by addition of NaOH

NaOH

Absorption spectrum

Wavelength /nm

(28)

O Merit of microscale exp.

Revision Normalscale Microscale

Reagents 5 mL 2 mL Effluent 600 mL 300 mL Equipments 100 mL Beaker, Filtration etc. 10 cm test tube, Magnetic stirrer, 10 mL Beaker, etc.

Other merit

• Easy temperature control

• Short experiment time

Reduction of

Reagents : 50%, Effluent : 50%

試薬量及び廃液量を1/2 程度に削減

合成実験時間を約1 時間短縮

吸収スペクトル実験の導入実現

(29)

Summary

 We successfully introduced microscale experiments into

the general chemistry experiments for undergraduates at

Chuo University.

 These experiments will be started from April, 2013 at

Chuo University.

 90 % reduction of reagents in total

 60 % reduction of effluent in total

参照

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