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Agua oceánica media estándar de Viena

El agua oceánica media estándar de Viena ( VSMOW ) es un estándar isotópico para el agua, es decir, una muestra particular de agua cuyas proporciones de diferentes isótopos de h...

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El agua oceánica media estándar de Viena ( VSMOW ) es un estándar isotópico para el agua, es decir, una muestra particular de agua cuyas proporciones de diferentes isótopos de hidrógeno y oxígeno se conocen con precisión. El VSMOW se destila a partir de agua de mar y no contiene sal ni otras impurezas. Publicado y distribuido por el Organismo Internacional de Energía Atómica, con sede en Viena , en 1968, este estándar y su sucesor, VSMOW2, prácticamente idéntico, se siguen utilizando como material de referencia .

Las muestras de agua compuestas por diferentes isótopos de hidrógeno y oxígeno tienen propiedades físicas ligeramente diferentes. Como ejemplo extremo, el agua pesada , que contiene dos átomos de deuterio ( 2H ) en lugar del hidrógeno-1 ( 1H ) más ligero habitual, tiene un punto de fusión de 3,82 °C (38,88 °F) y un punto de ebullición de 101,4 °C (214,5 °F) . [ 1 ] Las diferentes tasas de evaporación hacen que las muestras de agua de diferentes lugares del ciclo del agua contengan proporciones de isótopos ligeramente diferentes. El agua del océano (más rica en isótopos pesados) y el agua de lluvia (más pobre en isótopos pesados) representan aproximadamente los dos extremos que se encuentran en la Tierra. Con VSMOW, el OIEA publicó simultáneamente un estándar análogo para el agua de lluvia, Precipitación Antártica Ligera Estándar (SLAP), y posteriormente su sucesor SLAP2. SLAP contiene aproximadamente un 5 % menos de oxígeno-18 y un 42,8 % menos de deuterio que VSMOW.      

Se utiliza una escala basada en VSMOW y SLAP para informar las concentraciones de oxígeno-18 y deuterio. Desde 2005 hasta su redefinición en 2019 , el kelvin se especificó como 1/273,16 de la temperatura de VSMOW específicamente en su punto triple .

Historia y antecedentes

El contenedor original de VSMOW (entonces llamado SMOW-1 ) recogido por Harmon Craig

La abundancia de un isótopo particular en una sustancia generalmente se expresa en relación con algún material de referencia, como un delta en partes por mil ( ‰ ) con respecto a la referencia. Por ejemplo, la relación de deuterio ( 2 H ) a hidrógeno-1 en una sustancia x puede expresarse como

δ2Hincógnita/referencia=((2H/1H)incógnita(2H/1H)referencia−1)×1000 ‰{\displaystyle \delta \,^{2}\mathrm {H} _{x/{\text{referencia}}}=\left({\frac {(^{2}\mathrm {H} /^{1}\mathrm {H} )_{x}}{(^{2}\mathrm {H} /^{1}\mathrm {H} )_{\text{referencia}}}}-1\right)\times 1000{\text{ ‰}}},

dónde(2H/1H)incógnita{\displaystyle (^{2}\mathrm {H} /^{1}\mathrm {H} )_{x}}denota la concentración absoluta en x . [ 2 ]

En 1961, buscando un estándar para medir y reportar las concentraciones de deuterio y oxígeno-18, Harmon Craig, de la Institución Scripps de Oceanografía en San Diego , California, propuso un estándar abstracto para el agua. Basó las proporciones en sus mediciones de muestras tomadas por Epstein y Mayeda (1953) de aguas oceánicas de todo el mundo. [ 3 ] Aproximando un promedio de sus mediciones, Craig definió su "agua oceánica media estándar" (SMOW) en relación con una muestra de agua conservada en la Oficina Nacional de Estándares de los Estados Unidos llamada NBS-1 (muestreada del río Potomac [ 4 ] ). En particular, SMOW tenía los siguientes parámetros en relación con NBS-1:

  • δ 2 H SMOW/NBS-1 = 50 ‰, es decir, un enriquecimiento del 5  %;
  • δ 18 O SMOW/NBS-1 = 8 ‰, es decir, un enriquecimiento del 0,8  %. [ 3 ]

Más tarde, investigadores del Instituto Tecnológico de California definieron otra referencia abstracta, también llamada "SMOW", para las concentraciones de oxígeno-18, de modo que una muestra de arenisca de Potsdam en su poder satisfacía δ 18 O arenisca/SMOW = 15,5 ‰ . [ 5 ]

Para resolver la confusión, la reunión de noviembre de 1966 del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), con sede en Viena, recomendó la preparación de dos estándares isotópicos de agua: Vienna SMOW (VSMOW; inicialmente solo "SMOW", pero luego se desambiguó [ 5 ] ) y Standard Light Antarctic Precipitation (SLAP). [ 6 ] Craig preparó VSMOW mezclando agua destilada del Océano Pacífico con pequeñas cantidades de otras aguas. El objetivo de VSMOW era que coincidiera con el estándar SMOW lo más fielmente posible. Las mediciones de Craig encontraron una concentración idéntica de 18O y una concentración de 2H 0,2 ‰ menor . [ 7 ] El estándar SLAP se creó a partir de una muestra de firn derretido de la Estación Plateau en la Antártida. [ 7 ] También se preparó un estándar con concentraciones de oxígeno-18 y deuterio entre las de VSMOW y SLAP, llamado Groenlandia Ice Sheet Precipitation (GISP). [ 7 ] El OIEA comenzó a distribuir muestras en 1968, y Gonfiantini (1978) recopiló análisis de VSMOW y SLAP de 45 laboratorios de todo el mundo. [ 8 ] La muestra de VSMOW se almacenó en un recipiente de acero inoxidable bajo nitrógeno y se transfirió a ampollas de vidrio en 1977. [ 7 ]

Las concentraciones de deuterio y oxígeno-18 en VSMOW están cerca del extremo superior de los materiales que ocurren naturalmente, y las concentraciones en SLAP están cerca del extremo inferior. [ 2 ] Debido a la confusión sobre múltiples estándares de agua, la Comisión de Abundancias Isotópicas y Pesos Atómicos recomendó en 1994 que todas las futuras mediciones isotópicas de oxígeno-18 ( 18 O) y deuterio ( 2 H) se informen en relación con VSMOW, en una escala tal que el δ 18 O de SLAP es −55,5 ‰ y el δ 2 H de SLAP es −428 ‰, en relación con VSMOW. [ 9 ] [ 10 ] Por lo tanto, SLAP se define para contener 94,45  % de la concentración de oxígeno-18 y 57,2  % de la concentración de deuterio de VSMOW. [ 9 ] El uso de una escala con dos muestras definidas mejora la comparación de resultados entre laboratorios.

En diciembre de 1996, debido a la disminución del suministro de VSMOW, el OIEA decidió crear un estándar de reemplazo, VSMOW2. Publicado en 1999, contiene una mezcla isotópica casi idéntica. Se prepararon aproximadamente 300 litros a partir de una mezcla de aguas destiladas del lago Bracciano en Italia, el mar de Galilea en Israel y un pozo en Egipto, en proporciones elegidas para alcanzar las relaciones isotópicas de VSMOW. El OIEA también publicó un sucesor de SLAP, llamado SLAP2, derivado del agua derretida de cuatro sitios de perforación antárticos. [ 11 ] Las desviaciones de 17 O y 18 O en los nuevos estándares con respecto a los antiguos son cero dentro del error de medición. [ 12 ] Hay una pequeña pero medible desviación de la concentración de 2 H en SLAP2 con respecto a SLAP: δ 2 H SLAP2/VSMOW se define como −427,5 ‰ en lugar de −428 ‰, pero no en VSMOW2 con respecto a VSMOW. [ 13 ] El OIEA recomienda que las mediciones se sigan informando en la escala VSMOW–SLAP. [ 14 ]

SLAP se conserva en el OIEA [ 15 ] y VSMOW es vendido por el Servicio Geológico de los Estados Unidos [ 16 ] .

Medidas

Todas las mediciones se informan con su incertidumbre estándar . Las mediciones de combinaciones particulares de isótopos de oxígeno e hidrógeno son innecesarias porque las moléculas de agua intercambian átomos constantemente entre sí.

VSMOW

A excepción del tritio, que se determinó mediante el gas helio emitido por la desintegración radiactiva , estas mediciones se realizaron utilizando espectroscopia de masas .

  • Deuterio ( 2H / 1H ) –155,76 ± 0,05  ppm , [ 17 ] [ 18 ] aproximadamente 1 en 6420 átomos de hidrógeno
  • Tritio ( 3H / 1H ) –18,5 ± 3,6  TU [ a ] ​​=(1,85 ± 0,36) × 10 −11  ppm , medido el 16 de septiembre de 1976, [ 8 ] [ 17 ] aproximadamente 1 en5,40 × 10¹⁶ átomos de hidrógeno
  • Oxígeno-18 ( 18 O / 16 O) –2 005 .20 ± 0.45  ppm , [ 17 ] [ 19 ] aproximadamente 1 en 499 átomos de oxígeno
  • Oxígeno-17 ( 17 O / 16 O) –379,9 ± 0,8  ppm , [ 17 ] [ 20 ] aproximadamente 1 en 2640 átomos de oxígeno

BOFETADA

Basándose en los resultados de Gonfiantini (1978) , el OIEA definió la escala delta con SLAP en −55,5 ‰ para 18 O y −428 ‰ para 2 H. Es decir, se midió que SLAP contenía aproximadamente un 5,55  % menos de oxígeno-18 y un 42,8  % menos de deuterio que VSMOW, y estas cifras se utilizaron para fijar la escala en dos puntos. [ 8 ] Las cifras experimentales se presentan a continuación.

  • 2 H / 1 H –89,02 ± 0,05  ppm , δ  := −428,5 ± 0,4 ‰ , [ 17 ] [ 18 ] aproximadamente 1 en 11230 átomos
  • 3 H / 1 H –374 ± 9  TU [ a ] ​​=(3,74 ± 0,09) × 10 −10  ppm , medido el 16 de septiembre de 1976, [ 8 ] aproximadamente 1 en 2,67 × 10 15 átomos
  • 18 O / 16 O –1 893 .91 ± 0.45  ppm , δ  := −55.5 ‰ , [ 17 ] aproximadamente 1 en 528 átomos
  • 17 O / 16 O – δ = −28,86 ± 0,1 ‰ , [ 17 ] aproximadamente 1 en 3700 átomos

VSMOW2 y SLAP2

Las concentraciones de 17O y 18O son indistinguibles entre VSMOW y VSMOW2, y entre SLAP y SLAP2. La hoja de especificaciones proporciona los errores estándar de estas mediciones. [ 21 ] La concentración de 2H también permanece sin cambios en VSMOW2, pero aumenta ligeramente en SLAP2. El OIEA informa:

  • δ 2 H SLAP2/VSMOW = −427,5 ± 0,3 ‰ , [ 22 ] (Comparar −428 ‰ para SLAP.)

El 6 de julio de 2007, la concentración de tritio fue3,5 ± 1,0  TU en VSMOW2 y27,6 ± 1,6  TU en SLAP2. [ 23 ]

GISP

  • δ 2 H GISP = −189,5 ± 1,2 ‰
  • δ 18 O GISP = −24,66 ± 0,09 ‰
  • δ 17 O GISP = −12,71 ± 0,1 ‰ [ 24 ]

Aplicaciones

Informe de proporciones isotópicas

La escala VSMOW-SLAP es recomendada por el USGS, la IUPAC y el OIEA para la medición de las concentraciones de deuterio y 18O en cualquier sustancia. [ 25 ] [ 26 ] [ 9 ] Para 18O , también se puede utilizar una escala basada en Vienna Pee Dee Belemnite . [ 9 ] Las muestras físicas, que son distribuidas por el OIEA y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. , se utilizan para calibrar los equipos de medición de isótopos. [ 27 ]

Las variaciones en el contenido isotópico son útiles en hidrología, meteorología y oceanografía. [ 28 ] Diferentes partes del océano tienen concentraciones isotópicas ligeramente diferentes: los valores de δ 18 O varían desde –11,35 ‰ en el agua frente a la costa de Groenlandia hasta +1,3 ‰ en el Atlántico Norte, y las concentraciones de δ 2 H en aguas oceánicas profundas varían desde aproximadamente –1,7 ‰ cerca de la Antártida hasta +2,2 ‰ en el Ártico. Las variaciones son mucho mayores en el agua superficial que en el agua profunda. [ 29 ]

Mediciones de temperatura

En 1954, el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) estableció la definición del Kelvin como 1/273,16 de la temperatura absoluta del punto triple del agua. Las aguas con diferentes composiciones isotópicas tenían puntos triples ligeramente diferentes. Por lo tanto, el Comité Internacional de Pesas y Medidas especificó en 2005 [ 30 ] que la definición de la escala de temperatura Kelvin se referiría al agua con una composición de la especificación nominal de VSMOW. [ 31 ] La decisión fue bien recibida en 2007 por la Resolución 10 de la 23.ª CGPM. [ 32 ] El punto triple se mide en celdas de punto triple, donde el agua se mantiene en su punto triple y se le permite alcanzar el equilibrio con su entorno. Utilizando aguas ordinarias, el rango de mediciones interlaboratorio del punto triple puede ser de aproximadamente 250 μK . [ 33 ] Con VSMOW, el rango interlaboratorio de mediciones del punto triple es de aproximadamente 50 μK . [ 34 ]

Tras la revisión del SI de 2019 , el kelvin se define en términos de la constante de Boltzmann , lo que hace que su definición sea completamente independiente de las propiedades del agua. El valor definido para la constante de Boltzmann se seleccionó de modo que el valor medido del punto triple VSMOW sea idéntico al valor definido previamente, dentro de una precisión medible. [ 35 ] Las celdas de punto triple siguen siendo un método práctico para calibrar termómetros. [ 34 ]

Véase también

Notas

  1. 1 2 TU son unidades de tritio, o átomos de tritio por cada 10 18 átomos de hidrógeno.

Fuentes

  • Baertschi, P. (agosto de 1976). "Contenido absoluto de 18 O del agua oceánica media estándar". Earth and Planetary Science Letters . 31 (3): 341– 344. doi : 10.1016/0012-821X(76)90115-1 .
  • Coplen, Tyler B. (1994). "Informe de abundancias isotópicas estables de hidrógeno, carbono y oxígeno (Informe técnico)" (PDF) . Pure and Applied Chemistry . 66 (2): 273– 276. doi : 10.1351/pac199466020273 .
  • Coplen, Tyler B. (mayo de 1995). "Interrupción de SMOW y PDB" . Nature . 375 (6529): 285. doi : 10.1038/375285a0 .
  • Craig, Harmon (9 de junio de 1961). "Estándar para informar concentraciones de deuterio y oxígeno-18 en aguas naturales". Science . 133 (3467): 1833– 1834. doi : 10.1126/science.133.3467.1833 .
  • Epstein, S.; Mayeda, T. (1 de noviembre de 1953). "Variación del contenido de 18 O de aguas de fuentes naturales". Geochimica et Cosmochimica Acta . 4 (5): 213– 224. doi : 10.1016/0016-7037(53)90051-9 .
  • Gonfiantini, R. (febrero de 1978). "Estándares para mediciones de isótopos estables en compuestos naturales". Nature . 271 (5645): 534– 536. doi : 10.1038/271534a0 .
  • Li, Wenjun; Ni, Baoling; Jin, Deqiu; Zhang, Qinglian (1988). "Medición de la abundancia absoluta de oxígeno-17 en V-SMOW" .科学通报 (英文版) [ Science Bulletin (Edición en inglés) ] (19): 1610– 1613.
  • Hagemann, R.; Nief, G.; Roth, E. (1970). "Escala isotópica absoluta para análisis de deuterio de aguas naturales. Relación D/H absoluta para SMOW" . Tellus A. 22 (6): 712. doi : 10.3402/tellusa.v22i6.10278 .
  • "Reunión consultiva sobre muestras de referencia de isótopos estables para investigaciones geoquímicas e hidrológicas" (PDF) . Organismo Internacional de Energía Atómica . Marzo de 1984.
  • «Hoja de referencia para los estándares internacionales de medición» (PDF) . Organismo Internacional de Energía Atómica. Diciembre de 2006. Archivado del original (PDF) el 29 de julio de 2020.
  • Hoja de referencia de patrones internacionales de medición (PDF) . Organismo Internacional de Energía Atómica. Julio de 2017.
  • "Hoja de referencia para el material de referencia GISP" (PDF) . Organismo Internacional de Energía Atómica. Agosto de 2007.
  • "Pesos atómicos de los elementos: Revisión 1993" (PDF) . Química pura y aplicada . 66 (22). Comisión de abundancias isotópicas y pesos atómicos : 2423–2444 . 1994.
  • "Pesos atómicos de los elementos: Revisión 2000" (PDF) . Química pura y aplicada . 75 (6). Comisión de abundancias isotópicas y pesos atómicos: 683–800 . 2000.
  • Lin, Y.; Clayton, RN (2010). "Calibración de δ 17 O y δ 18 O de los estándares internacionales de medición: VSMOW, VSMOW2, SLAP y SLAP2". Rapid Communications in Mass Spectrometry . 24 (6): 773– 776. doi : 10.1002/rcm.4449 .
  • "Kelvin: Realización actual" . Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología . 8 de julio de 2021.
  • "Informe sobre la composición isotópica estable del material de referencia SLAP2 – 0,25 μL" (PDF) . Servicio Geológico de los Estados Unidos . 9 de julio de 2020.
  • Ferronsky, VI; Polyakov, VA (6 de marzo de 2012). Isótopos de la hidrosfera terrestre . Springer Science & Business Media.

Citas

  1. ↑ "Propiedades termofísicas del D₂O " ( PDF) . Journal of Physical and Chemical Reference Data . 13 (601). 2009.
  2. 1 2 Coplen 1994 .
  3. 1 2 Craig 1961 , pág. 1833.
  4. ↑ OIEA 1984 , pág. 3.
  5. 1 2 Coplen 1994 , pág. 274.
  6. ↑ OIEA 1984 , pág. 1.
  7. 1 2 3 4 OIEA 1984 , pág. 2.
  8. ^ Gonfiantini 1978 , pág .534. 
  9. 1 2 3 4 CIAAW 1994 , pág. 2435.
  10. ↑ Coplen 1995 .
  11. ↑ OIEA 2017 , pág. 2.
  12. ↑ OIEA 2017 , pág. 1,6.
  13. ↑ OIEA 2017 , pág. 3.
  14. ↑ OIEA 2017 , pág. 4.
  15. ↑ OIEA 2006 , pág. 2.
  16. ↑ "Materiales de referencia y servicios de calibración" . Laboratorio de isótopos estables de Reston (RSIL), Servicio Geológico de los Estados Unidos . Consultado el 23 de marzo de 2026 .
  17. 1 2 3 4 5 6 7 OIEA 2006 , pág. 3.
  18. ^ Hagemann , Nief y Roth 1970 , pág. 6.
  19. ↑ Baertschi 1976 .
  20. ↑ Li et al. 1988 .
  21. ↑ OIEA 2006 , págs. 5-6.
  22. ↑ OIEA 2017 , pág. 1,3.
  23. ↑ OIEA 2017 , pág. 6.
  24. ↑ OIEA 2007 , pág. 3.
  25. ↑ OIEA 2017 , pág. 5.
  26. ↑ USGS 2020 , pág. 2.
  27. ↑ USGS 2020 , pág. 1.
  28. ↑ CIAAW 2000 , pág. 705.
  29. ↑ Ferronsky y Polyakov 2012 , págs. 52–53.
  30. ↑ Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) (10 de octubre de 2005). «Aclaración de la definición del kelvin, unidad de temperatura termodinámica» (PDF) . Oficina Internacional de Pesas y Medidas . Archivado del original (PDF) el 22 de agosto de 2017. Consultado el 1 de enero de 2021. El Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) [...] decide la definición del kelvin en referencia al agua de una composición isotópica específica .
  31. ↑ "94.ª Reunión del Comité Internacional de Pesos y Medidas" (PDF) . Octubre de 2005. pág. 235. Archivado del original (PDF) el 2 de noviembre de 2006. La adopción del estándar VSMOW por parte del CIPM se basó en una recomendación de la CIAAW (2000) .
  32. ↑ "Resolución 10 - BIPM" .
  33. ↑ Información complementaria para la Escala Internacional de Temperatura de 1990. Comité Internacional de Pesas y Medidas. 1997. pág. 29. 
  34. 1 2 NIST 2021 .
  35. ^ Pitré, Laurent; Plimmer, Mark; Sparasci, Fernando; Himbert, Marc (20 de diciembre de 2018). «Determinaciones de la constante de Boltzmann» . Cuentas Rendus Physique . 20 (1): 129-139 .
  • Organismo Internacional de Energía Atómica – OIEA
  • ITS-90 – Instituto Nacional Sueco de Pruebas e Investigación
  • ITS-90 – Omega Engineering
  • Archivo del Instituto Scripps de Oceanografía (7 de junio de 2013) en Wayback Machine.
  • Sensores de temperatura – repositorio de información
  • Datos científicos sobre el agua – Universidad London South Bank. Archivado el 29/10/2011 en Wayback Machine.