CC BY
12
УДК 66.061.12
А.В. Хорошилов*, А.В. Мошняга, М.П. Семяшкин, В.В. Мельников
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: avkhor@inbox.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ РАСТВОРОВ ЗАКИСИ АЗОТА В ПЕРФТОРДЕКАЛИНЕ
Аннотация
Измерены значения плотности растворов закиси азота в перфтордекалине (ПФД) в интервале температуры (293 -328) К и установлен линейный характер зависимости плотности от количества растворенного газа. С целью оперативного контроля растворимости N2O в ПФД предложена денсиметрическая методика определения мольного отношения r, моль N^/моль ПФД.
Ключевые слова: закись азота, перфтордекалин, растворимость закиси азота, плотность раствора, мольное отношение, влияние температуры, денсиметрическая методика определения мольного отношения. Исследование растворимости газообразных соединений в жидкостях, как правило, сопряжено с использованием аналоговых или цифровых датчиков давления, точность которых определяет ошибку выполняемых измерений. За счет этого погрешность методики измерения мольного отношения, описанной в работе [1], возрастает при увеличении числа напусков газа в ячейку для уравновешивания. Например, при двух напусках газа погрешность в определении мольного отношения составляет 10 % отн., а при шести приводит к относительной ошибке 21 %. В связи с этим необходим более надежный метод определения растворимости газа в жидкости, например, закиси азота в перфтордекалине, основанный на денсиметрических измерениях. Кроме того, необходимо отметить, что значений плотности растворов N2O в ПФД в литературных источниках не выявлено и поэтому определение плотности таких растворов представляет собой самостоятельную задачу.
Для ее решения можно использовать высокоточные цифровые денситометры,
позволяющие отслеживать изменения состава газожидкостной системы, определить протекание в ней химических превращений, получать сведения относительно их характера и состава образующихся продуктов. Например, плотность является ключевым параметром контроля качества нефти и нефтепродуктов [2], строгий контроль плотности бурового раствора осуществляется при бурении скважин [3]. Но среди физико-химических методов особо ценны оперативные методы, позволяющие определять качественный и количественный состав раствора, точно и с минимальным объемом (массой) анализируемой пробы.
Работа посвящена измерению плотности растворов закиси азота в перфтордекалине и определению возможности применения таких результатов для количественно определения
Растворы закиси азота с различным содержанием N2O готовили по методике, изложенной в [1]. При температуре Т = (298 ± 1) К приготовлено два раствора с мольным отношением г = (0,262 ± 0,053) моль N2O/моль ПФД и г = (0,0741 ± 0,0073) моль N2O/моль ПФД. Данные, относящиеся к
растворимости N2O в ПФД и контроля равновесного состояния в газожидкостной системе закись азота - ее раствор в перфтордекалине при исследованиях по методике [1].
Исследования выполнены с использованием цифрового денсиметра «DDM 2910» (Rudolph Research Analytical) с погрешностью измерения менее 0,02 %.
На первой стадии для определения чистоты используемого перфтордекалина («P&M-Invest») выполнены измерения его плотности при различной температуре. Результаты таких измерений приведены в табл. 1, где для сравнения представлены и литературные данные. По результатам денсиметрического анализа плотность используемого ПФД отличается от литературных данных « на 0,3 %, что позволяет говорить о чистоте перфтордекалина, который был использован для приготовления растворов закиси азота.
приготовлению указанных растворов, приведены в табл. 2. Для полученных исходных растворов закиси азота измеряли значения плотности, после чего первый раствор разбавляли исходным перфтордекалином в объемном соотношении 1:2 и 1:3 и также измеряли их плотность. Определение
Таблица 1. Определение плотности перфтордекалина в интервале температуры (293 - 313) K
Температура T, К Примечание
293 298 303 313
Плотность р, г/см3
1,94518±0,00005 1,9339±0,00006 1,92256±0,00004 1,89949±0,00001 Результаты измерений
1,938 - 1,918 1,898 Литературные данные (для транс-изомера) [4]
плотности выполнено в интервале температуры (293 -328) К. Используемый для измерений объем раствора составлял V = (3 - 4) мл. Результаты измерений совместно с данными для исходного ПФД представлены в таблице 3.
Обработка результатов измерения плотности по данным табл. 3 приводит к линейной корреляции р и г (рис. 1), а обратная зависимость, например, при Т = (293±0,05) К, характеризующаяся близким к единице коэффициентом корреляции Я = 0,993, имеет вид
Таблица 2. Результаты определения мольного отношения растворов закиси азота в ПФД при Т = (298 ± 1) К
№ Число напусков газа Число растворенных молей закиси азота п\, моль Число молей ПФД П2, моль Мольное отношение г, моль ^0/моль ПФД
1 6 (1,6з ± 0,29)-10-2 0,06з ± 0,00\ 0,262 ± 0,05з
2 1 (0,4т ± 0,04)- 10-2 0,074 ± 0,008
Таблица 3. Результаты определения плотности растворов закиси азота в ПФД при Т = (293 - 328) К
г, моль №0/моль ПФД Температура Т, К
293±0,05 298±0,05 303±0,05 313±0,05 328±0,05
Плотность раствора р, г/см3
0 1,94518±0,0000 6 1,9339±0,00002 1,92256±0,0000 4 1,89949±0,0000 1 -
0,074 ±0,008 1,94093±0,0000 3 1,92956±0,00005 1,91811±0,0000 2 1,89492±0,0000 3 -
0,08т±0,01т 1,93836±0,0000 4 1,92705±0,00003 1,91563±0,0000 6 1,8929±0,00002 1,85815±0,0000 4
0,13\±0,026 1,93653±0,0000 5 1,92522±0,00004 1,91364±0,0000 2 1,89067±0,0000 1 1,85638±0,0000 3
0,262±0,05з 1,92459±0,0000 6 1,91317±0,00005 1,90178±0,0000 2 1,87878±0,0000 5 -
г = (-12,35±1,7з)хр + (24,04±0Д1)
1,960
(1)
о.
Л
у 1,900 т
I-
о
с 1,880
1,860
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Мольное отношение г, плоль [^О/моль ПФД
. Рис. 1. Зависимость плотности растворов N20 в ПФД от мольного отношения при температуре: О - 293 К; А - 298 К;
□ - 303 К; О - 313 К
Для проверки возможности использования выражения (1) для определения мольного отношения растворов N20 в ПФД выполнен контрольный эксперимент. Суть такого эксперимента сводилась к сравнению значения мольного отношения для раствора, приготовленного непосредственно по методике [1] при порционном напуске газа в ячейку с ПФД, со значением мольного отношения, найденного путем измерения плотности раствора закиси азота в ПФД с последующим вычислением г по выражению (1). Условия и результаты насыщения ПФД закисью азота представлены в табл. 4, а измеренные значения плотности полученного раствора даны в табл. 5.
По измеренному при Т = (293 ± 0,05) К значению
плотности раствора р = (1,93884±0,00003) г/см3, с использованием (1) определено значение мольного отношения, которое оказалось равным г = (0,09о ± 0,002) моль ^0/моль ПФД. Найденное значение г в пределах ошибки измерения удовлетворительно совпадает со значением мольного отношения, определенного в ходе приготовления растворов по методике [1] при использовании датчиков давления, что позволяет использовать плотность растворов ^0 в перфтордекалине в качестве параметра контроля содержания растворенного газа в жидкости, причем с более высокой точностью (сравнение результатов определения мольного отношения разными методами отражено в табл. 6).
Т, К Число напусков N2O Р, кПа n1, моль n2, моль r, моль N2O/моль ПФД
293 i 1 2 96,7 0,00645 i 0,00065 0,063 i 0,001 0,102 i 0,013
T, K 293±0,05 298±0,05 303±0,05 313i0,05 328±0,05
p, г/см3 1,93884i0,00003 1,92739i0,00000 1,91583i0,00004 1,89271i0,00002 1,85816i0,00005
Метод определения мольного отношения AT, % отн. Ar, % отн.
По методике [1] с использованием датчиков давления «Freescale Semiconductor MPX 2102A» 0,34 10 - 21
По плотности раствора, измеренной на денситометре «DDM 2910» 0,017 « 1*
* - при определении r градуировочных растворов весовым методом
Как следует из таблицы 6, определение мольного погрешность измерения этой величины. отношения раствора закиси азота в перфтордекалине Исследования выполнены с использованием по результатам определения плотности раствора оборудования Центра коллективного пользования является более точным и позволяет уменьшить имени ДИ. Менделеева
Хорошилов Алексей Владимирович, к.х.н., доцент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Мошняга Алексей Владимирович, аспирант кафедры химии технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Семяшкин Михаил Петрович, студент кафедры химии технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Мельников Владимир Владиславович, студент кафедры химии технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Мошняга А.В., Хорошилов А.В., Громова Д.М. Исследование растворимости молекулярного азота в перфтордекалине// Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. 2014. № 9. С. 19-22.
2. Шаверин Н.В. Разработка ультразвукового метода и средств автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Томск. 2003. 20 с.
3. Середа Н.Г., Соловьёв Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин: учеб. для вузов. 2-е изд. М.: Недра. 1988. С.32-46.
4. Бобылев В.Н. Физические свойства наиболее известных химических веществ: справочное пособие. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2003. 23 с.
Khoroshilov Alexey Vladimirovich*, Moshnyaga Alexey Vladimirovich, Semyashkin Mikhail Petrovich, Melnikov Vladimir Vladislavovich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
* e-mail: avkhor@inbox.ru
DETERMINATION OF DENSITY NITROUS OXIDE PERFLUORODECALIN
Abstract
SOLUTIONS
IN
Density values of solutions of nitrous oxide in perfluorodecalin (PFD) in the range of temperature (293 ^ 328) K were measured. It is shown that the dependence of the density of dissolved gas is linear. For the purpose of operational control of the solubility of N2O in the FPD offered densitometric method of determining the molar ratio r, moles N2O / mol PFD.
Keywords: nitrous oxide, perfluorodecalin, solubility of nitrous oxide, the density of solution, molar ratio, temperature effect, densitometric method of determining the molar ratio.
