CC BY
6
УДК 544.021 + 548.75
Фролова С.И., Борисов М..Д., Иванов П.И., Хорошилов А.В.
ИЗОТОПНЫЙ АНАЛИЗ БОРА В ФОРМЕ БОРНОЙ КИСЛОТЫ МЕТОДОМ ИК-ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИИ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗОТОПА БОР-10
Фролова София Игоревна - студентка 5-го курса кафедры технологии изотопов и водородной энергетики; Борисов Максим Дмитриевич - студент 5-го курса кафедры технологии изотопов и водородной энергетики; Иванов Павел Игоревич - ассистент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики; freman.doc@mail.ru;
Хорошилов Алексей Владимирович - кандидат химических наук, директор ЦКП и. Д.И. Менделеева; avkhor@inbox.ru.
В статье рассмотрены результаты ИК-спектроскопии борной кислоты с различными концентрациями изотопа бор-10. По зависимости отношения величин оптической плотности полос (640 ± 10) см—1и (670 ± 10) см—1от концентрации изотопа бор-10 определена концентрация изотопа бор-10 в контрольном образце борной кислоты.
Ключевые слова: аналитическая химия, борная кислота, изотопы бора, изотопный анализ, ИК-спектроскопия
ISOTOPE ANALYSIS OF BORON IN THE FORM OF BORIC ACID BY FTIR SPECTROSCOPY IN A WIDE RANGE OF BORON-Ю ISOTOPE CONCENTRATION
Frolova S.I., Borisov M.D., Ivanov P.I., Khoroshilov A.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses the result ofIR spectroscopy of boric acid with different concentrations of the boron-10 isotope. The concentration of the boron-10 isotope in the control sample of boric acid was determined from the dependence of the ratio of the absorption values of the (640 ± 10) cm—1and (670 ± 10) cm—1bands on the concentration of boron-10 isotope.
Key words: analytical chemistry, boric acid, boron isotopes, isotope analysis, IR spectroscopy
Введение
Инфракрасная спектроскопия нашла широкое применение в качестве метода изотопного анализа, например, для определения концентрации дейтерия [1 - 3] и определения изотопного состава углерода [4]. В рамках изучения кристаллических неорганических боратов в работе [5] авторами отмечается наличие характерных полос поглощения в ИК-диапазоне для соединений бора с различным содержанием изотопов 10B и 11B. Данная работа посвящена изучению возможности применения ИК-спектроскопии для определения концентрации изотопа 10B в борной кислоте в широком диапазоне концентрации последнего.
Экспериментальная часть
Подготовка образцов включала в себя перекристаллизационную очистку, представляющую собой растворение образцов борной кислоты в деионизированной воде (18,2 МОм-см), фильтрацию через шприцевой фильтр с диаметром пор 0,45 мкм, сушку в течение 8 часов при температуре 70 °C и выдержку в эксикаторе с силикагелем в течение 12 часов. Подготовленные таким образом образцы измельчались в агатовой ступке и смешивались с измельченным бромидом калия в массовом соотношении КВг/ИзВОз = 10/1. Из полученных смесей готовились таблетки, которые далее анализировались на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 380 (Thermo Fisher Scientific, США) в диапазоне волновых чисел (4000-400) см-1. Съем ИК-спектров производился с параметрами, указанными в таблице
1. После стадии фильтрации растворов борной кислоты отбирались пробы на изотопный анализ методом ИСП-МС по методике, использованной в работах [6 - 8], с целью установления истинного значения концентрации изотопа 10В.
Таблица 1. Параметры настройки ИК-_спектрометра
Параметр Значение
Количество сканов 32
Разрешение 4
Выборка 1,929 см-1
Время накопления 39 с
Детектор DTGS KBr
Светоделитель KBr
Усиление Автоматическое
Скорость 0,6329
Диафрагма 100
С учетом данных работы [5] на полученных ИК-спектрах был выявлен диапазон характеристических полос, отношение которых изменяется с изменением концентрации изотопа 10В, на рис. 1 показан данный диапазон волновых чисел на примере ИК-спектра борной кислоты с природным изотопным составом бора. По аналогии с данными работы [5] было выявлено, что с увеличением в анализируемой пробе содержания изотопа 10В происходит увеличение величины оптической плотности полосы, соответствующей волновому числу в диапазоне (670 ± 10) см-1 и снижение в диапазоне (640 ± 10) см-1.
Рис. 1. ИК-спектр борной кислоты природного изотопного состава в диапазоне волновых чисел, чувствительных к изменению содержания изотопа 10Б.
Для построения градуировочной зависимости с использованием метода наименьших квадратов производился десятикратный съем ИК-спектров каждой пробы, в качестве аналитического сигнала использовалась величина отношения Я максимумов оптической плотности, что позволяет избежать внесения поправок на отношение масс КБг и ЫзБОз в каждой таблетке образца и толщину приготовленных таблеток
Я = ^ (1)
А
А10
где, А11 и А10 - значения максимумов оптической плотности для диапазонов волновых чисел
(640 ± 10) см-1 и (670 ± 10) см-1, соответственно.
В результате описанного выше была получена градуировочная зависимость (рис. 2) вида
Я = (- 0,00631 ± 0,00054)• [10б]+ (1,454 ± 0,029) (2) где,. [10Б] - концентрация изотопа 10Б в % ат., коэффициент корреляции г = 0,9509.
1,7 1 1,5 -
1,3 -
1,1 -
0,9 -
0,7 -
0,5--
0
20
80
40 60
[10В]. % ит.
Рис. 2. Зависимость значения отношения оптических плотностей Я от концентрации изотопа 10Б в
широком диапазоне концентрации. По результатам анализа контрольной пробы было получено значение концентрации изотопа 10Б, указанное в таблице 2.
Таблица 2. Результаты анализа контрольной
пробы
Метод анализа ИСП-МС (истинное значение) ИК-Фурье
[10Б], % ат. 41,32s ± 0,071 45,5 ± 6,1
Заключение
В качестве заключения следует отметить, что несмотря на ошибку (~ 13 % отн.) определения концентрации изотопа 10Б в борной кислоте методом ИК-спектроскопии в контрольной пробе, полученное данным методом значение весьма близко к истинному значению, установленному методом ИСП-МС.
Для повышения точности рассмотренного метода анализа следует увеличить количество градуировочных точек и рассмотреть возможную динамику изменения чувствительности метода, связанную, например, с внешними условиями снятия спектров, такими как влажность, что, с учетом гигроскопичности матрицы таблеток (КБг), может привести к колебаниям значений коэффициентов a и b градуировочной зависимости (уравнение 2).
Исследования выполнены с использованием оборудования ЦКП им. Д.И. Менделеева по гранту Минобрнауки РФ N 13.ЦКП.21.0009 Список литературы
1. Глазунова В.С., Мосеев П.С., Чеботов А.Ю., Розенкевич М.Б. Определение содержания дейтерия в воде методом инфракрасной спектроскопии в широком диапазоне концентраций // Успехи в химии и химической технологии. 2015. Т. 29. № 6. С. 48-49.
2. Воронина Т.В., Дрожжин М.Ю. Изотопный анализ тяжелой воды в широком диапазоне концентраций методами инфракрасной спектроскопии // Проблемы и перспективы развития химического и радиохимического контроля в атомной энергетике: тезисы докл.Третьего научн. совещ. 2007. С. 23-24.
3. Иванов П.И., Хорошилов А.В., Маковеева К.А., Гарипова Л.Х. Определение концентрации дейтерия в хлороформе методом ИК-спектроскопии // Успехи в химии и химической технологии. 2016.Т. 30№ 6.С.89-91.
4. Tanaka К., Kojima R., Takahashi К., Tonokura К. Continuous measurements of stable carbon isotopes in CO2 with a near-IR laser absorption spectrometer // Infrared Physics & Technology. 2013. Vol. 60. P. 281-287.
5. Weir C.E., Schroeder R.A. Infrared Spectra of the Crystalline Inorganic Borates // Journal of Research of the National Bureau of Standards - A. Physics and Chemistry. 1964. Vol. 68. No. 5. P. 465-487.
6. Хорошилов А.В., Силакова Е.Л., Иванов П.И. Определение изотопного состава бора в борной кислоте методом масс-спектрометрии индуктивно связанной плазмы // Успехи в химии и химической технологии. 2015. Т. 29. № 6. С. 56-58.
7. Khoroshilov A.V., Ivanov P.I. Separation of boron isotopes by chemical exchange in liquid-liquid systems // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1099. DOI: 10.1088/1742-6596/1099/1/012006.
8. Иванов П.И., Хорошилов А.В. Разделение изотопов бора методом химического обмена с использованием борной кислоты // ЖФХ. 2022. Т. 96. № 2. С. 276-280.
