Исследование изотопной селективности процесса кристаллизации NaCl из водного раствора, находящегося в магнитном поле

Из 92 стабильных элементов 71 элемент имеют два и более изотопов.
Изотопы одного элемента отличаются количеством нейтронов в ядре и
поэтому атомной массой. Известно, что изотопы значительно отличаются
по ядерно-физическим свойствам. При этом все остальные свойства
изотопов одного элемента могут отличаться незначительно.

Материалы определенного изотопного могут обладать значительно
лучшими требуемыми параметрами, чем их природные аналоги. Например,
для изготовления микросхем меньшего размера и увеличения степени
интеграции элементов используют моноизотопные полупроводники из-за их
лучшей теплопроводности. Кварцевые световоды, содержащие 50% 28
Si и
50% 30Si имеют меньшее пропускание, чем световод из природного кварца.
Для конструкционных материалов, используемых, например, в поле
радиоактивного излучения, применяют специально формируемые смеси
изотопов [1].
Развиваются методы использования изотопов в медицине и изучении
биохимических процессов. Например, изотоп 25Mg может ускорять скорость
биохимических процессов. Применение парамагнитного изотопа 25
Mg в
медицинских целях считается перспективным [2].
Разработаны множество методов разделения практически всех
изотопов. Значительная часть из них испытаны в промышленных
технологиях. Однако, высокая стоимость материалов, обогащенных по
целевым изотопам, препятствует их широкому применению.
Поэтому являются актуальными исследования по поиску и разработке
инновационных энергоэффективных методов разделения изотопов
различных элементов.
Значительное влияние на физико-химические процессы способно
оказывать магнитное поле из-за спиновых эффектов. При этом магнитное
поле оказывает малое энергетическое действие на материалы. Это
воздействие может изменять параметры процесса, а также исключать один
из путей достижения конечного состояния в этом процессе.
Водный раствор хлорида натрия хорошо подходит для отработки
методов магнитного управления процессом кристаллизации за счет высокой
растворимости в воде, хорошей способности к кристаллизации при
испарении воды. Также следует учитывать изотопный состав соли: натрий
моноизотопен, хлор содержит изотопы 35Cl и 37Cl [3].
Исследования, в рамках выпускной квалификационной работы,
связаны с формированием кристаллов в магнитном поле и направлены на
научное обоснование инновационной технологии сепарации изотопов
хлора. Такие исследования имеют высокий мировой научный уровень, а
получаемые результаты очень востребованы.
Цель исследований – экспериментальное определение изменения
изотопного эффекта в постоянном магнитном поле при кристаллизации
NaCl из водных растворов.
Поставленная цель будет решена в рамках следующих задач:
1. Обзор научно-технической литературы;
2. Экспериментальные исследования по формированию
пространственного распределения изотопов хлора по объему кристалла NaCl,
формируемого из водного раствора во внешнем слабом магнитном поле;
3. Анализ результатов.
1 Обзор научно – технической литературы
1.1 Параметры решетки кристаллов, обогащенной по изотопам
Известно, что изотопный состав существенной влияет на параметры и
физические свойства кристаллической решетки. Рассмотрим это влияние на
примере водородосодержащих соединениях. Как правило, при замене
водорода на дейтерий в водородосодержащих соединениях знак
изотопического эффекта соответствует уменьшению параметра решетки.
Все же, значение изотопного эффекта оказывалось противоположным
в некоторых случаях. Изотопическое замещение может приводить к сдвигу
температуры полиморфных превращений или даже изменению характера
этих превращений у некоторых веществ. Зависимость температуры
изотопического эффекта в значении параметров кристаллической решетки
связывается с различием коэффициентов линейного расширения водородо-
или дейтерийсодержащих соединений. Практически всегда, дейтерирование
приводит к увеличению коэффициентов расширения.
С помощью рентгеноструктурных исследований льда из легкой и
тяжелой воды впервые попытались обнаружить различия в структурах
твердых тел, отличающихся изотопным составом.
Проводилось сравнение параметров решеток изотопных модификаций
LiH и LiD. В структуре льда водород находится в группе атомов,
образующих молекулу воды. Замена изотопа, путем вызова небольших
изменений расстояния между ядрами внутри таких группы, практически не
влияет на расстояние между молекулами. В отличие от льда, атомы H (D) в
гидриде лития занимают заданное положение в узлах решетки.
Следовательно, замена изотопов H-D приводит к более заметному, чем у
льда, изменению размеров элементарной ячейки [4].
Еще большее изменение параметров решеток при замене водорода на
дейтерий происходит у гидридов серы и селена, у гидрида гафния.
У металлоподобных дейтерида и гидрида урана и лантана обнаружено
несколько меньшее различие в молярных объемах.
Первыми изотопами металлов, которые изучались методами
рентгеноструктурного анализа были изотопы лития: 6
Li и 7
Li. При
обработке рентгенограмм этих изотопов, зарегистрированных при
различных температурных условиях, выяснилось, что параметры решеток
данных изотопов при температуре равной T=293K не отличаются в
пределах точности измерения. При температуре 4,2K различие в параметрах
решеток изотопов составляют: Li6 -3,480A, Li7 – 3,478А.
Одной из причин изотопических эффектов в параметрах решетки
твердых тел является различие нулевых колебаний. Из эффекта нулевых
колебаний следует, что положение минимума кривой потенциальной
энергии взаимодействия определяет равновесное расстояние между двумя
соседними частицами в узлах кристаллической решетки. Даже при
абсолютном нуле T=0K, частица все равно испытывает колебания (нулевые
колебания) вопреки самому определению абсолютного нуля. Увеличение
энергии колеблющихся частиц приводит к увеличению среднего
расстояниях между этими частицами из-за несимметричности
потенциальной кривой. Значение частоты нулевых колебаний меньше у
тяжелых элементов, чем у легких, так как энергия обратно
пропорциональны корню из массы. Принимая во внимание эффект нулевых
колебаний, можно сделать вывод о том, что при абсолютном нуле молярный
объем легкого изотопа должен быть больше, чем у более тяжелого.
Описанные закономерности происходят на решетках с простыми Ван-дер-
Ваальсовскими силами связи (изотопы Ne, H, He) [5].
1.2 Методы выращивания кристаллов
1.2.1 Выращивание кристаллов из растворов
Для начала кристаллизации из раствора необходимо создать
критический коэффициент пересыщения. Коэффициент пересыщения равен
отношению концентрации соли к концентрации, при которой в равновесных
условиях начинается кристаллизация. Используются следующие методами
кристаллизации:
1. Изогидрическая кристаллизация;
2. Изотермическая кристаллизация;
3. Кристаллизация высалианием;
4. Кристаллизация вымораживанием;
5. Кристаллизация в результате химических реакций;
6. Выращивание кристаллов из расплавов;
7. Кристаллизация из газовой фазы.