Высокоточное аналитическое оборудование
(отдел продаж)
(сервисный отдел)

Измерение концентрации оксида дейтерия D2O с помощью плотномера DMA 5000 M

Измерение концентрации оксида дейтерия D2O с помощью плотномера DMA 5000 M

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 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
Рисунок 2: Пример экрана DMA 5000 M с пользовательской функцией D2O.

3. Итог и выводы

  1. 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.
  2. В сочетании с другими параметрами, которые важны исключительно для данного заказчика, определение с помощью цифрового плотномера может справиться со сложностью эксплуатации такого сложного применения.
  3. Плотномер DMA 5000 M обеспечивает беспрецедентную точность значений концентрации D2O и воды, обедненной дейтерием.
  4. 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!


Все поля, обозначенные звездочкой *, обязательны для заполнения
(0)