Средства измерений концентрации D20
Средства измерений концентрации D20
СВ статьях нередко пишут полностью определенные числа о содержаниях томного изотопа водорода. Как это можно измерить и с какой точностью?
Здрасти, Евгений!
Измерить содержание дейтерия (а точнее тяжёлой воды) в среде может быть при помощи разных способов – масс-спектрометрии, спектроскопии протонного магнитного резонанса, инфракрасной, лазерной спекроскопии и др.
Другие способы также позволяют учить содержание дейтерия в воде. Это сверхбыстрая ИК-спектроскопия и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Способ ЯМР основан на том, что ядро атома водорода в отличие от дейтерия имеет магнитный момент — спин, взаимодействующий с магнитными полями, неизменными и переменными. По спектру ЯМР можно судить о том, в каком окружении эти атомы и ядра находятся, получая, таким макаром, информацию о структуре молекулы.
Некие современные способы также позволяют не только лишь определять содержание дейтерия, да и учить структуру. К ним относятся, сначала дифракционные способы. К примеру, дифракция рентгеновских лучей и нейтронов на поверхности замороженного кристалла воды.
Другой способ исследования структуры – нейтронная дифракция на кристаллах воды осуществляется точно также, как и рентгеновская дифракция. Но из-за того, что длины нейтронного рассеяния различаются у различных атомов не настолько очень, способ изоморфного замещения становится неприемлемым. На практике обычно работают с кристаллом, у которого молекулярная структура уже примерно установлена другими способами. Потом для этого кристалла определяют интенсивности нейтронной дифракции. По этим результатам проводят преобразование Фурье, в процессе которого употребляют измеренные нейтронные интенсивности и фазы, вычисляемые с учётом неводородных атомов, т.е. атомов кислорода, положение которых в модели структуры понятно. Потом на приобретенной таким макаром фурье-карте атомы водорода и дейтерия представлены с еще большенными весами, чем на карте электрической плотности, т.к. вклад этих атомов в нейтронное рассеяние очень большой. По этой карте плотности можно, к примеру, найти положения атомов водорода (отрицательная плотность) и дейтерия (положительная плотность).
Вероятна разновидность этого способа, которая заключается в том, что кристалл образовавшийся в воде, перед измерениями выдерживают в тяжёлой воде. В данном случае нейтронная дифракция не только лишь позволяет установить, где размещены атомы водорода, да и выявляет те из их, способные обмениваться на дейтерий, что в особенности принципиально при исследование изотопного (H-D)-обмена, к примеру, в молекулах таких жизненно-важных соединений, как дезоксирибонуклеиновые кислоты и протеины. Изотопный обмен характеризуется как самопроизвольное перераспределение изотопов хим элемента меж разными фазами системы (а именно, меж разными агрегатными состояниями 1-го и такого же вещества), частичками (молекулами, ионами) либо снутри молекул (сложных ионов). При изотопном обмене сохраняется постоянным элементный состав каждого участвующего в обмене вещества, меняется только его изотопный состав.
Рассредотачивание изотопов меж субстанциями в состоянии равновесия характеризуется коэффициентом рассредотачивания, определяющим соотношение сбалансированных концентраций изотопов в реагирующих субстанциях. При равномерном рассредотачивании изотопов коэффициент рассредотачивания равен 1. Но, на практике равномерное рассредотачивание изотопов в реагирующих субстанциях происходит только для изотопов лёгких частей.
Для лёгких изотопов углерода, азота и кислорода с маленькими различиями атомных масс при достижении хим равновесия изотопного обмена каждый изотоп распределяется меж реагирующими субстанциями умеренно. Для изотопов тяжёлых частей дейтерия и трития эта неравномерность в рассредотачивании меж некими субстанциями может достигать 10-ки и сотки процентов. Отклонение от равномерного рассредотачивания зависит не только лишь от массы изотопов, да и от хим состава веществ, меж которыми происходит изотопный обмен. Не считая того, коэффициент рассредотачивания находится в зависимости от температуры и во всех случаях по мере её увеличения приближается к 1.
Также в изотопных исследовательских работах с тяжёлой и тритиевой водой нередко употребляют способ изотопного разбавления. Пусть нужно проанализировать содержание соединения А в консистенции, которую нереально количественно разделить на отдельные составляющие. Эту задачку можно выполнить последующим образом. К консистенции добавляют маленькое количество А, содержащего известную примесь радиоактивного изотопа. Единственное условие предстоящего анализа заключается в том, чтобы можно было хотя бы отчасти отделить из консистенции компонент А в чистом виде. Введем коэффициент разбавления, равный отношению удельной активности изотопа А до разбавления к удельной активности такого же изотопа после разбавления. Для размеренных изотопов отношение концентраций определенного изотопа до и после разбавления в почти всех случаях можно определить при помощи масс-спектрометра. Исходя из коэффициента разбавления и количества добавленного компонента А, можно высчитать концентрацию А в начальной консистенции.
Способ изотопного разбавления можно использовать, к примеру, для определения полного количества воды в организме. Для этого вводят известное количество воды, содержащей определенную примесь тяжёлой воды. Через некое время, требуемое для полного смешивания введенной воды с остальной ее частью, отбирают эталон сыворотки крови и определяют в нем содержание дейтерия. Если при всем этом оказалось, что коэффициент разбавления равен, к примеру, 800, то полное количество воды в организме в 800 раз превосходит объем воды, введенной в опыте.
С почтением,
К. х. н. О. В. Мосин