У А.В. Хорошилов*, А.В. Мошняга, М.П. Семяшкин, В.В. Мельников

Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6
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 N2O/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.
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.
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
Таблица 1. Определение плотности перфтордекалина в интервале температуры (293 - 313) K
Температура T, К
293
298
303
313
Примечание
Результаты измерений
Литературные данные для
транс-изомера) [4]
Плотность ρ, г/см3
1,94518±0,00005
1,9339±0,00006
1,92256±0,00004
1,89949±0,00001
1,938
-
1,918
1,898
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
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 r = 0,262 ± 0,053)
моль N2O/моль ПФД и r = 0,0741 ± 0,0073) моль
ПФД.
Данные,
относящиеся
к
N2O/моль
65
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6
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 U и
r рис. 1), а обратная зависимость, например, при T =
293±0,05) К, характеризующаяся близким к единице
коэффициентом корреляции R = 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 n1, моль
Число молей ПФД n2,
моль
1
2
6
1
1,65 ± 0,29)˜102
0,47 ± 0,04)˜ 102
0,063 ± 0,001
Мольное отношение
r, моль N2O/моль
ПФД
0,262 ± 0,053
0,074 ± 0,008
Таблица 3. Результаты определения плотности растворов закиси азота в ПФД при Т = (293 - 328) К
r, моль
N2O/моль
ПФД
0
0,074 ±0,008
0,087±0,017
0,131±0,026
0,262±0,053
293±0,05
1,94518±0,0000
6
1,94093±0,0000
3
1,93836±0,0000
4
1,93653±0,0000
5
1,92459±0,0000
6
298±0,05
Температура Т, К
303±0,05
Плотность раствора U,
1,92256±0,0000
1,9339±0,00002
4
1,91811±0,0000
1,92956±0,00005
2
1,91563±0,0000
1,92705±0,00003
6
1,91364±0,0000
1,92522±0,00004
2
1,90178±0,0000
1,91317±0,00005
2
313±0,05
1,89949±0,0000
1
1,89492±0,0000
3
1,8929±0,00002
1,89067±0,0000
1
1,87878±0,0000
5
r = (12,35 ± 1,73)uρ + (24,04 ± 0,11)
1,85815±0,0000
4
1,85638±0,0000
3
-
(1)
. Рис. 1. Зависимость плотности растворов N2O в ПФД от мольного отношения при температуре:
- 303 К;
328±0,05
г/см3
- 293 К;
- 298 К;
- 313 К
плотности раствора U = 1,93884±0,00003) г/см3, с
использованием (1) определено значение мольного
отношения, которое оказалось равным r = 0,090 ±
0,002) моль N2O/моль ПФД. Найденное значение r 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 N2O
в перфтордекалине в качестве параметра контроля
содержания растворенного газа в жидкости, причем c
более высокой точностью сравнение результатов
определения мольного отношения разными методами
отражено в табл. 6).
Для проверки возможности использования
выражения 1) для определения мольного отношения
растворов N2O 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 r 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
66
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6
Таблица 4. Условия и результаты приготовления контрольного раствора N2O в ПФД
Т, К
293 ± 1
Число напусков
N2O
2
Р, кПа
n1, моль
n2, моль
r, моль N2O/моль ПФД
96,7
0,00645 ± 0,00065
0,063 ± 0,001
0,102 ± 0,013
Таблица 5. Плотность раствора N2O в ПФД с мольным отношением 0,102 ± 0,013) моль N2O/моль ПФД
T, K
ρ, г/см3
293±0,05
1,93884±0,00003
298±0,05
1,92739±0,00000
303±0,05
1,91583±0,00004
313±0,05
1,89271±0,00002
328±0,05
1,85816±0,00005
Таблица 6. Погрешность определения мольного отношения разными методами
Метод определения мольного отношения
По методике [1] с использованием датчиков давления «Freescale
Semiconductor MPX 2102A»
По плотности раствора, измеренной на денситометре «DDM 2910»
∆T, % отн.
∆r, % отн.
0,34
10 - 21
0,017
| 1*
* - при определении r градуировочных растворов весовым методом
Как следует из таблицы 6, определение мольного
отношения раствора закиси азота в перфтордекалине
по результатам определения плотности раствора
является более точным и позволяет уменьшить
погрешность измерения этой величины.
Исследования выполнены с использованием
оборудования Центра коллективного пользования
имени
Д.И. 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
PERFLUORODECALIN
DENSITY
NITROUS
OXIDE
SOLUTIONS
IN
Abstract
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.
67