Способ определения молярной массы летучих веществ Российский патент 2025 года по МПК G01N5/04 

Изобретение относится к области определения физико-химических параметров летучих веществ, а именно к созданию способа определения молярной массы одного или смеси нескольких летучих веществ.

Анализ существующего уровня техники в указанной области показал, что известно достаточное количество способов определения молярной массы вещества (в том числе, неизвестного состава) при помощи приборов и методов, основанных, например, на уравнении скорости испарения Ленгмюра(1), в котором достаточно выразить молярную массу и знать основных два параметра вещества - давление насыщенных паров и скорость испарения.

где D - скорость испарения;

Р - давление насыщенного пара (газа), мм. рт.ст.;

М - молекулярная масса пара (газа), г/моль;

R - универсальная газовая постоянная, Дж⋅ моль^-1 ⋅К^-1;

T - абсолютная (фактическая) температура, К.

Также есть способы и методы определения молярной массы вещества, основанные на 1 законе Рауля (2), который объясняет связь между давлением пара и мольной долей вещества.

где Р₀ - давление пара чистого растворителя, Па;

P₁ - давление пара растворителя над раствором, Па;

N - мольная доля растворенного вещества.

Существуют способы подобные вышеописанным, которые определяют молярную массу, опираясь на базовые законы химии и физики при помощи специальных приборов, например, «способ определения молекулярной массы нелетучих веществ» [Волков Л. П. Способ определения молекулярной массы нелетучих веществ // М., 1978 г. ], основанный на эбуллиоскопии, «способ измерения давления и (или) молярной массы газа внутри оболочки и измерительное устройство» [Барон Даньель, Ферранди Жан-Ив и др. Способ измерения давления и/или молярной массы газа внутри оболочки и измерительное устройство. 2008 г. ], основанные на измерение акустических волн газа, «хроматографический способ определения молекулярной массы» [Арутюнов Ю.И., Онучак Л.А. и др. Хроматографический способ определения молекулярной массы. 1998 г. ], основанный на использовании хроматографа, и др.

Все вышеописанные методы и способы либо трудоемкие и трудозатратные, требующие использования большого количества этапов и реактивов (способы, основанные на законах Рауля), либо требуют использования сложных специальных приборов (способы, основанные на уравнении Ленгмюра, хроматографы и др.) и, соответственно, квалифицированного персонала для работы на них. Указанные недостатки, в том числе, усложняют нахождение молярной массы неизвестного вещества.

Наиболее близкими аналогами предлагаемого изобретения по сущности являются методы термогравиметрического анализа (ТГА), дифференциального термического анализа (ДТА) и дифференциальной сканирующего калориметрии (ДСК).

В термогравиметрическом анализе происходит регистрация изменения массы от температуры или времени при помощи высокоточных весов с тиглями (с анализируемым веществом и сравнения) или с тиглем, данные по анализу выводятся на термогравиметрические кривые графика (ТГ кривые). Используя этот метод, возможно определить скорость изменения массы в целом, в частном случае имеется возможность определить температуру деградации полимеров, влажности материалов, доли органических и неорганических компонентов, входящих состав исследуемого вещества, точки разложения взрывчатого вещества и сухого остатка растворенных веществ, скорость коррозии при высоких температурах. Однако, без специального сложного прибора коммерческого производства данный анализ не осуществить, также данный анализ имеет ряд недостатков, например, трудность расшифровки ТГ кривых, обслуживание и использование сложного оборудования.

Для более удобной расшифровки ТГ кривых используют дифференциальные кривые, которые возможно получить при помощи ДТА. ДТА метод основан на дифференциировании температуры исследуемого образца и температуры эталона в течении времени или температуры. Данный метод часто используется в ТГ анализе из-за своей широкой информативности. ДТА позволяет получить данные о фазовых переходах, термограмму процессов и их энтальпию, характер течения процесса во времени, влияние на процесс каких-либо параметров (внешних или внутренних). Данный способ имеет свои недостатки, например, чувствительность во время работы от внешних факторов, неточность для определяемых характеристик (например, энтальпии), необходимость сложного и чувствительного прибора, а также его обслуживание.

Более точным методом является ДСК-метод из-за подобности ДТА в сущности, с разницей контроля процессов, происходящих с анализируемым веществом (возможность быстрого нагревания и охлаждения), используя минимальные размеры и массы анализируемого вещества, соответственно быстрого времени проведения анализа, нет необходимости использовать эталон при анализе. Из-за этой разницы, возможно, получить быстро параметры анализируемого вещества (температура плавления, энергии процессов, давления насыщенных паров, массу вещества и прочее). Но чем быстрее метод и точнее, тем больше его чувствительность к внешним факторам, трудоемкость метода во времени из-за уменьшения массы анализируемого вещества, дороговизна приборов, частота его обслуживания.

Вышеописанные методы теоретически способны решить задачу нахождения молярной массы неизвестного летучего вещества, но из-за своей сложности (ДСК) или узкой специфичной направленности (ДТА и ТГА) решение указанной задачи также представляется достаточно трудоемким, трудозатратным, требующим использования сложных специальных приборов и, соответственно, квалифицированного персонала для работы на них.

Задачей настоящего изобретения является создание способа определения молярной массы одного или нескольких известных и (или) неизвестных летучих веществ (в частности, жидких и (или) твердых) при заданных условиях.

Сущность изобретения заключается в определении давления насыщенного пара одного или смеси нескольких летучих веществ, находящихся в жидком и (или) твердом состояниях, и изменения их массы в герметичном объеме при заданной параметрах (температуре и давлении), и последующем расчете молярной массы на основе полученных данных.

Подобного способа для определения молярной массы летучих веществ, являющегося наиболее близким по достигаемому техническому результату и имеющим назначение, совпадающее с назначением предлагаемого изобретения, не существует, однако за прототип можно принять монографию авторов И.Л. Розенфельда, К.А. Жигаловой «Ускоренные методы коррозионных испытаний металлов» [Розенфельд И.Л., Жигалова К.А. Ускоренные методы коррозионных испытаний металлов // М.: «Металлургия», 1966 г., С.236-237], в которой описан способ определения количества испаряющегося вещества с помощью весов Мак-Бена в вакуумной установке.

Указанный в прототипе способ частично схож по назначению с одним из этапов предполагаемого изобретения, однако направлен на определение количества испаряющегося вещества, и не позволяет определять молярную массу одного или нескольких известных и (или) неизвестных летучих веществ.

При решении указанной задачи был достигнут технический результат, заключающийся в возможности определения молярной массы одного или нескольких известных и (или) неизвестных летучих веществ (в частности, жидких и (или)твердых). При решении указанной задачи был, достигнут технический результат, заключающийся в возможности определения молярной массы одного или нескольких известных и (или) неизвестных летучих веществ (в частности, жидких и (или) твердых).

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что в способе определения молярной массы летучих веществ, заключающемся в экспериментальном нахождении давления и концентрации насыщенного пара одного или смеси нескольких летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, и последующем расчете молярной массы на основе полученных данных, для определения концентрации насыщенного пара одного или смеси нескольких летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, сначала проводят определение объема аналитических весов второго класса точности путем измерения их геометрических размеров, затем весы помещают в герметичное устройство объемом не менее 0,02 м³ с прозрачными стенками и герметично закрывающейся прозрачной крышкой, далее аналитические весы второго класса точности включают и на них устанавливают чашку Петри, после чего значение массы с тарой приводят к значению 0 г, и фиксируют показания температуры и давления, которые поддерживают в течение проведения исследований, затем с разрывом по времени не более 5 секунд в чашку Петри, установленную на аналитических весах, помещают одно или несколько исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, массой не менее 10 г, герметично закрывают крышку герметичного устройства и фиксируют массу исследуемых летучих веществ в чашке Петри, далее проводят фиксацию изменения массы исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, до момента, когда она перестанет уменьшаться, после чего вычисляют молярную массу одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, в частности, жидких и/или твердых, по формуле:

где М - молярная масса пара одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, в частности, жидких и/или твердых, г/моль; m₀ - начальная масса одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, г; m_др - масса одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, после момента наступления динамического равновесия с их насыщенным паром, г; R - универсальная газовая постоянная, Дж⋅моль^-1⋅К^-1; T - абсолютная температура проведения исследований, К; Р - давление насыщенных паров одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, в частности, жидких и/или твердых, Па; V_ГУ - объем герметичного устройства, м³; V_aB - объем используемых аналитических весов второго класса точности, м³.

Сущность изобретения поясняется фигурой (Фиг. ). На которой изображен общий вид исследовательской установки для определения концентрации насыщенного пара летучих веществ при заданных условиях в герметичном объеме, где: а - аналитические весы второго класса точности; б - чашка Петри; в - исследуемое летучее веществ (смесь летучих веществ); г -герметичное устройство объемом не менее 0,02 м³ с прозрачными стенками и герметично закрывающейся прозрачной крышкой.

При подготовке к исследованиям проводится определение объема аналитических весов второго класса точности (а на Фиг.) путем измерения их геометрических размеров (в частности, длины, ширины и высоты). В герметичное устройство (ГУ) объемом не менее 0,02 м³ (наиболее целесообразными геометрическими формами требуемого ГУ являются прямоугольный параллелепипед и куб) с прозрачными стенками (наиболее целесообразным материалом для изготовления требуемого ГУ является стекло) и герметично закрывающейся прозрачной крышкой (б на Фиг. ) помещаются аналитические весы второго класса точности, которые включаются. Далее на аналитические весы устанавливается чашка Петри (в на Фиг. ), после чего значение массы на аналитических весах вместе с тарой (чашкой Петри) приводится к значению 0 г.

При подготовке к исследованиям также проводится подготовка установки и оборудования для измерения давления насыщенных паров одного или смеси летучих веществ, которое определяется любыми известными методами (способами), например, посредством использования микроманометра со спиртовой рабочей жидкостью, по ГОСТ 1756-2000 и т.п.

Важным условием в течение проведения всех исследований является поддержание требуемых температуры и давления, показания которых фиксируются в лабораторном журнале (рабочей тетради). Для минимального расхождения указанных условий исследований, а также сокращения времени их проведения целесообразным является параллельное проведение экспериментов по определению концентрации и давления насыщенных паров одного или смеси летучих веществ. В случае исследования ядовитых летучих веществ (например, сильнодействующих ядовитых веществ, токсичных химикатов и т.п.), ГУ вместе с аналитическими весами, а также установки и оборудование для определения давления насыщенных паров устанавливаются в соответствующий вытяжной шкаф (требуемый для работы с этими ядовитыми летучими веществами), и последующие исследования проводятся в этом вытяжном шкафу.

Проведение исследований по определению начинается в момент помещения в чашку Петри, установленную на аналитических весах, одного или нескольких исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и (или) твердом состояниях (г на Фиг. ), массой не менее 10 г (в зависимости от объема используемого герметичного устройства и свойств исследуемых летучих веществ их масса может быть увеличена) и герметичного закрытия крышки ГУ, после чего фиксируется масса исследуемых летучих веществ (время фиксации массы исследуемых летучих веществ не должно превышать 5 секунд после помещения их в чашку Петри и закрытия крышки ГУ). Далее проводится фиксация изменения (уменьшения) массы исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и (или) твердом состояниях, до момента, когда она перестанет изменяться (момент, когда насыщенный пар находится в динамическом равновесии со своей жидкостью или твердым телом). В случае, если исследуемое летучее вещество (смесь летучих веществ) полностью перешло в парообразное состояние, т.е. значение массы на аналитических весах равно 0 г, исследование повторяется с большей массой исследуемого летучего вещества (смесью летучих веществ).

Проведение исследований по определению давления насыщенных паров одного или смеси летучих веществ выполняется в соответствии с выбранным способом.

При обработке, анализе и оценке результатов исследований определяется молярная масса одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ (в частности, жидких и (или) твердых) по формуле (3):

где М - молярная масса пара одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ (в частности, жидких и (или) твердых), г/моль;

m₀ - начальная (в момент помещения в чашку Петри) масса одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и (или) твердом состояниях, г;

m_др - масса одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и (или) твердом состояниях, после момента наступления динамического равновесия с их насыщенным паром, г;

R - универсальная газовая постоянная, Дж⋅моль^-1 ⋅К^-1;

T- абсолютная (фактическая) температура проведения исследований, К;

Р - давление насыщенных паров одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ (в частности, жидких и (или) твердых), Па;

V_гу - объем ГУ, м³;

V_aB - объем используемых аналитических весов второго класса точности, м³.

Одним из существенных отличительных признаков патентуемого способа является использование для создания исследовательской установки по определению концентрации насыщенного пара летучих веществ при заданных условиях в герметичном объеме универсального, широко распространенного и доступного лабораторного оборудования. Использование другой установки, не позволит достичь заявленного технического результата.

Вторым существенным отличительным признаком патентуемого изобретения является алгоритм определения молярной массы одного или нескольких известных и (или) неизвестных летучих веществ (в частности, жидких и (или) твердых). Изменение алгоритма, равно как и использование другого алгоритма, не позволит определить молярную массу одного или нескольких исследуемых летучих веществ.

Третьим существенным отличительным признаком патентуемого изобретения является порядок расчета, позволяющий определить молярную массу одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ (в частности, жидких и (или) твердых). Изменение порядка расчета приведет к ошибочным результатам.

Проведенные патентные исследования не выявили технических решений, ставших общедоступными в мире до даты приоритета заявленного способа и характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Для применения заявляемого изобретения используется стандартное, широко распространенное и доступное оборудование, апробировано в опытно-промышленных условиях, что соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Использование: для определения молярной массы летучих веществ. Сущность изобретения заключается в том, что определяют давление насыщенного пара одного или смеси нескольких летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, и изменения их массы в герметичном объеме при заданных температуре и давлении, после чего рассчитывают молярную массу на основе полученных данных. Технический результат: обеспечение возможности определения молярной массы одного или нескольких известных и/или неизвестных летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом агрегатных состояниях. 1 ил.

Способ определения молярной массы летучих веществ, заключающийся в экспериментальном нахождении давления и концентрации насыщенного пара одного или смеси нескольких летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, и последующем расчете молярной массы на основе полученных данных, отличающийся тем, что для определения концентрации насыщенного пара одного или смеси нескольких летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, сначала проводят определение объема аналитических весов второго класса точности путем измерения их геометрических размеров, затем весы помещают в герметичное устройство объемом не менее 0,02 м³ с прозрачными стенками и герметично закрывающейся прозрачной крышкой, далее аналитические весы второго класса точности включают и на них устанавливают чашку Петри, после чего значение массы с тарой приводится к значению 0 г, и фиксируют показания температуры и давления, которые поддерживают в течение проведения исследований, затем с разрывом по времени не более 5 секунд в чашку Петри, установленную на аналитических весах, помещают одно или несколько исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, массой не менее 10 г, герметично закрывают крышку герметичного устройства и фиксируют массу исследуемых летучих веществ в чашке Петри, далее проводят фиксацию изменения массы исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, до момента, когда она перестанет уменьшаться, после чего вычисляют молярную массу одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, в частности жидких и/или твердых, по формуле:

,

где М - молярная масса пара одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, в частности жидких и/или твердых, г/моль; m₀ - начальная масса одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, г; m_др - масса одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, находящихся в жидком и/или твердом состояниях, после момента наступления динамического равновесия с их насыщенным паром, г; R - универсальная газовая постоянная, Дж⋅моль^-1⋅К^-1; T - абсолютная температура проведения исследований, К; Р - давление насыщенных паров одного или смеси нескольких исследуемых летучих веществ, в частности жидких и/или твердых, Па; V_ГУ - объем герметичного устройства, м²; V_aB - объем используемых аналитических весов второго класса точности, м³.