Актуально: Атомные электростанции, ЯМР-спектроскопия, химический синтез, исследования
Оксид дейтерия представляет собой жидкий растворитель, в котором атомы водорода в молекуле воды заменены атомами более тяжелого изотопа - дейтерия. D2O используется, например, в качестве охлаждающей жидкости в ядерных реакторах, в медицинской диагностике, в исследованиях и для анализов методом ЯМР (ядерно-магнитного резонанса).
1. Введение
Оксид дейтерия, также называемый «тяжелой водой», имеет химическую формулу D2O. Атом дейтерия, обозначаемый символом D, является изотопом водорода. Разница между D2O и «обычной» водой H2O заключается в ядре атома водорода: водород 1H, также называемый протием, имеет только один протон, тогда как дейтерий D, также обозначаемый как 2H, имеет в своем ядре протон и нейтрон. Дополнительный нейтрон утяжеляет молекулу D2O по сравнению с водной H2O. Изотоп водорода тритий 3H даже имеет в ядре второй нейтрон.
Молярная масса D2O составляет 20,0276 г/моль. Его плотность выше, чем плотность H2O. D2O используется в ядерной магнитно-резонансной (ЯМР) спектроскопии, в органической химии, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) и в некоторых типах ядерных реакторов в качестве замедлителя для замедления скорости нейтронов.
Естественное содержание дейтерия составляет 0,015%. Другими словами, вода содержит 150 частей на миллион дейтерия. Для производства тяжелой воды концентрацию дейтерия можно увеличить с помощью дистилляции, электролиза или с помощью так называемого сульфидного процесса Гирдлера, процесса изотопного обмена атомами водорода между H2S и H2O в течение нескольких температурных стадий. Обмен дейтерия зависит от температуры. Высокие температуры усиливают миграцию к H2S, низкие температуры предпочтительно к H2O. Можно производить обогащенную дейтерием воду с содержанием дейтерия выше 99 %. Остается вода, обедненная дейтерием. Некоторые физические свойства H2O и D2O приведены в таблице 1.
Таблица 1: Физические свойства H2O и D2O [1]
Свойства | H2O | D2O |
---|---|---|
Молярная масса | 18,0150 | 20,0276 |
Температура замерзания | 0,0 °C (32 °F) (273,15 K) | 3,82 °C (38,88 °F) (276,97 K) |
Температура кипения | 100 °C (212 °F) (373,15 K) | 101,4 °C (214,5 °F) (374,55 K) |
Плотность [г/мл] при 293,15 K (20 °C, 68 °F) | 0,998203 | 1,1056 |
Темп. максимальной плотности (°C) | 3,98 | 11,6 |
Динамическая вязкость (при 20 °C, мПа·с) | 1,0016 | 1,2467 |
Поверхностное натяжение (при 25 °C, Н/м) | 0,07198 | 0,07187 |
Теплота плавления (кДж/моль) | 6,00678 | 6,132 |
Теплота парообразования (кДж/моль) | 40,657 | 41,521 |
pH (при 25 °C) | 7,0 | 7,44 («pD») |
pKb (при 25 °C) | 7,0 | 7,44 («pKb D2O») |
Коэффициент преломления (при 20 °C, 589 нм) | 1,333 | 1,328 |
У кислорода также есть изотопы. Наиболее частым стабильным изотопом является 16O с естественным содержанием более 99 %, за ним следуют 18O (0,2 %) и 17O (ниже 0,05 %). 18O является важным предшественником для производства 18F, используемого во фтордезоксиглюкозе (ФДГ), радиофармацевтическом препарате для томографического мониторинга и обнаружения отклонений в материале клеток человека. Обогащенная 18O вода производится путем вакуумной дистилляции воды, сложной и затратной по времени процедуры.
Вода, обедненная дейтерием (DDW), является побочным продуктом при производстве D2O и воды с кислородом-18. Производителю D2O и воды с кислородом-18 необходимо проверять концентрацию при производстве и чистоту конечного продукта. Таким образом, возникла идея отслеживать процесс меняющейся концентрации посредством определения плотности для анализа образцов.
Имеется несколько вариантов:
(a) определение плотности с помощью пикнометра — затратный по времени способ, требующий большого количества ценной пробы. Полученная точность составляет всего 300 ч/млн. для D2O [2].
(b) В литературе упоминается определение концентрации дейтерия в тяжелой воде методом газовой хроматографии [3] после разложения тяжелой воды на H2 и HD с использованием LiAlH4.
(c) Цифровые плотномеры обладают известными преимуществами перед упомянутыми выше методами: измерения можно проводить быстрее, они надежнее, точнее и требуют малых объемов проб.
С учетом стоимости образцов и требуемой точности было выбрано измерение плотности цифровым плотномером.
В этом отчете о применении описанные измерения были выполнены в лаборатории заказчика цифровым плотномером DMA 5000 M. Его заявленная воспроизводимость составляет 0,000001 г/см³ (= 1 ч/млн.), и, благодаря этой спецификации, плотномер DMA 5000 M от компании «Anton Paar» стал вариантом, который предпочел заказчик.
2. Измерение концентрации D2O на месте заказчика
2.1 Вводная информация
Для данного применения необходим надежный, точный и быстрый метод определения концентрации D2O. Благодаря проверенной технологии, небольшому требуемому количеству дорогостоящего образца и короткому времени измерения заказчик выбрал метод измерения плотности с помощью плотномера DMA 5000 M.
Далее описываются процедура и результаты заказчика.
2.2 Приборы, принадлежности, основы
- Плотномер ДМА 5000 М
- Чистый оксид дейтерия D2O (99,9 %)
- Этанол (аналитической чистоты)
- Деионизированная вода
- Шприц
Все используемые химикаты обладали аналитической степенью чистоты, химикаты и приборы были закуплены на месте. Для поверки использовали набор стандартных жидкостей.
2.3 Справочные данные
В таблице 2 представлены литературные данные о растворах D2O в дистиллированной воде.
Таблица 2. Плотность D2O в H2O [Ландольт-Бёрнштейн]
Процентное соотношение масс D2O | ||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
(°C) | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 95 | 100 |
0 | 1,0046 | 1,0093 | 1,0191 | 1,0290 | 1,0391 | 1,0494 | 1,0600 | 1,0708 | 1,0820 | 1,0933 | 1,0991 | 1,1049 |
20 | 1,0030 | 1,0078 | 1,0177 | 1,0278 | 1,0381 | 1,0487 | 1,0595 | 1,0706 | 1,0819 | 1,0934 | 1,0994 | 1,1053 |
40 | 0,9971 | 1,0019 | 1,0119 | 1,0220 | 1,0322 | 1,0430 | 1,0536 | 1,0648 | 1,0762 | 1,0878 | 1,0938 | 1,0999 |
60 | 0,9880 | 0,9928 | 1,0027 | 1,0128 | 1,0231 | 1,0337 | 1,0445 | 1,0556 | 1,0669 | 1,0785 | 1,0846 | 1,0905 |
80 | 0,9765 | 0,9813 | 0,9912 | 1,0012 | 1,0114 | 1,0219 | 1,0350 | 1,0436 | 1,0549 | 1,0664 | 1,0725 | 1,0782 |
100 | 0,9631 | 0,9679 | 0,9776 | 0,9873 | 0,9976 | 1,0079 | 1,0185 | 1,0293 | 1,0405 | 1,0518 | 1,0576 | 1,0634 |
2.4 Процедура
Чистый D2O разбавили деионизированной водой для получения растворов с различной концентрацией: 1,02 % (D1); 8,86 % (D8); 20,37 % (D20); 40,55 % (D40); 79,09 % (D79); 99,77 % (D99).
U-образную трубку DMA 5000 M тщательно очистили и высушили. Перед началом серии измерений была выполнена проверка воздуха и воды.
Температуру измерения установили на 25 °C, удельный вес каждого раствора D2O измерили дважды.
2.5 Результаты
Было проведено измерение плотности растворов D2O в H2O. Полученные результаты измерений представлены в таблице 3.
Таблица 3. Удельный вес растворов D2O
Раствор | Удельная плотность 25/25 | Концентрация (% D2O) |
---|---|---|
D1 | 1,001051 | 1,02 |
1,001050 | 1,02 | |
D8 | 1,009514 | 8,86 |
1,009518 | 8,86 | |
D20 | 1,022075 | 20,37 |
1,022074 | 20,37 | |
D40 | 1,043870 | 40,55 |
1,043869 | 40,55 | |
D79 | 1,085458 | 79,09 |
1,085458 | 79,09 | |
D99 | 1,107748 | 99,77 |
1,107750 | 99,77 |
Эти результаты графически отображены на рисунке 1. На рисунке видно, что удельный вес водных растворов D2O находится в линейной зависимости от концентрации D2O. Линейная зависимость от концентрации D2O может быть напрямую реализована в DMA 5000 M, что позволяет выполнять прямой анализ на плотномере.
На рисунке 2 представлен пример того, как может выглядеть экран DMA 5000 M, изготовленный по индивидуальному заказу.
Подсказка: Линейная зависимость от концентрации D2O может быть напрямую реализована в DMA 5000 M, что позволяет выполнять прямой анализ на плотномере.
Рисунок 1: Концентрация D2O в процентном отношении масс в зависимости от удельной плотности 25⁄25
Рисунок 2: Пример экрана DMA 5000 M с пользовательской функцией D2O.
3. Итог и выводы
- Показано, что удельная плотность растворов D2O, определенная в лаборатории заказчика в различных концентрациях с помощью DMA 5000 M, является линейной. Можно сказать, что цифровой плотномер DMA 5000 M может заменить традиционный метод пикнометра и повысить точность.
- В сочетании с другими параметрами, которые важны исключительно для данного заказчика, определение с помощью цифрового плотномера может справиться со сложностью эксплуатации такого сложного применения.
- Плотномер DMA 5000 M обеспечивает беспрецедентную точность значений концентрации D2O и воды, обедненной дейтерием.
- Плотномер DMA 5000 M оказался особенно полезным, потому что при его использовании требуются только небольшие объемы образца дорогостоящего вещества.
Выражаем благодарность компании «Anton Paar China» за эту информацию и данные измерений!