Agua de océano media estándar de Viena

Agua de océano 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 son conocido con exactitud. VSMOW se destila del agua del océano y no contiene sal ni otras impurezas. Publicado y distribuido por la Agencia Internacional de Energía Atómica con sede en Viena en 1968, el estándar y su sucesor esencialmente idéntico, VSMOW2, continúan utilizándose como material de referencia.

Las muestras de agua formadas 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 habitual y más ligero hidrógeno-1 (¹H), tiene un punto de fusión de 3,82 °C (38,88 °F) y punto de ebullición de 101,4 °C (214,5 °F). 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, la OIEA publicó simultáneamente una norma análoga para el agua de lluvia, la Precipitación Antártica Ligera Estándar (SLAP), y eventualmente su sucesora 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, se especificó que el kelvin era 1/273,16 de la temperatura de específicamente VSMOW en su punto triple.

Historia y antecedentes

Las abundancias de un isótopo particular en una sustancia generalmente se dan en relación con algún material de referencia, como un delta en partes por mil (‰) de la referencia. Por ejemplo, la proporción de deuterio (²H) a hidrógeno-1 en una sustancia x se puede dar como

δ δ 2Hx/referencia (en μ)=()()2H/1H)x()2H/1H)referencia− − 1)⋅ ⋅ 1000{displaystyle delta ,^{2}mathrm {H} _{x/{text{reference}}{text{ (in ¢)}}=left({frac {{2}mathrm {fnK} {fnK} {fnK}} {fnK}} {fnMicrom {fnK} {fnMicrom {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}cdot 1000}},

Donde ()2H/1H)x{displaystyle (^{2}mathrm {H}}mathrm {H}_{x}} denota la concentración absoluta en x.

En 1961, en busca de un estándar para medir e informar las concentraciones de deuterio y oxígeno-18, Harmon Craig del Instituto 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 & Mayeda (1953) de las aguas oceánicas de todo el mundo. Aproximando un promedio de sus mediciones, Craig definió su "agua de océano media estándar" (SMOW) en relación con una muestra de agua mantenida en los Estados Unidos. Oficina Nacional de Estándares llamada NBS-1 (muestreada del río Potomac). En particular, SMOW tenía los siguientes parámetros en relación con NBS-1:

• δ ²H _SMOW/NBS-1 = 50 libras, es decir, un enriquecimiento del 5%;
• δ ¹⁸O _SMOW/NBS-1 = 8 libras, es decir, un enriquecimiento de 0,8%.

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 que tenían en su poder satisfacía δ¹⁸O _{arenisca/SMOW} = 15,5‰.

Para resolver la confusión, la reunión de noviembre de 1966 de la Agencia Internacional de Energía Atómica (OIEA), con sede en Viena, recomendó la preparación de dos estándares isotópicos de agua: Viena SMOW (VSMOW; inicialmente solo "SMOW" pero luego se eliminó la ambigüedad ) y Precipitación Antártica Ligera Estándar (SLAP). Craig preparó VSMOW mezclando agua destilada del Océano Pacífico con pequeñas cantidades de otras aguas. VSMOW estaba destinado a coincidir lo más posible con el estándar SMOW. Las mediciones de Craig encontraron una concentración de ¹⁸O idéntica y una concentración de ²H un 0,2‰ menor. El estándar SLAP se creó a partir de una muestra de firma derretida de la estación Plateau en la Antártida. También se preparó un estándar con concentraciones de oxígeno-18 y deuterio entre las de VSMOW y SLAP, llamado Precipitación de la capa de hielo de Groenlandia (GISP). La OIEA comenzó a distribuir muestras en 1968 y Gonfiantini (1978) recopiló análisis de VSMOW y SLAP de 45 laboratorios de todo el mundo. La muestra de VSMOW se almacenó en un recipiente de acero inoxidable bajo nitrógeno y se transfirió a ampollas de vidrio en 1977.

Las concentraciones de deuterio y oxígeno-18 en VSMOW están cerca del extremo superior de los materiales naturales, y las concentraciones en SLAP están cerca del extremo inferior. Debido a la confusión sobre múltiples estándares de agua, la Comisión sobre Abundancias Isotópicas y Pesos Atómicos recomendó en 1994 que todas las futuras mediciones isotópicas de oxígeno-18 (¹⁸O) y deuterio (²) H) informarse en relación con VSMOW, en una escala tal que el δ¹⁸O de SLAP sea −55,5‰ y el δ²H de SLAP es −428‰, en relación con VSMOW. Por lo tanto, se define que SLAP contiene 94,45% de la concentración de oxígeno-18 y 57,2% de la concentración de deuterio de VSMOW. El uso de una báscula con dos muestras definidas mejora la comparación de resultados entre laboratorios.

En diciembre de 1996, debido a la disminución del suministro de VSMOW, la OIEA decidió crear un estándar de reemplazo, VSMOW2. Publicado en 1999, contiene una mezcla isotópica casi idéntica. Se prepararon unos 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 proporciones isotópicas VSMOW. La OIEA también publicó un sucesor de SLAP, llamado SLAP2, derivado del agua derretida de cuatro sitios de perforación en la Antártida. Las desviaciones de ¹⁷O y ¹⁸O en los nuevos estándares con respecto a los antiguos son cero dentro del error de medición. Existe una desviación pequeña pero mensurable entre la concentración de ²H en SLAP2 y SLAP: δ²H_SLAP2/VSMOW se define como −427,5‰ en lugar de −428‰, pero no en VSMOW2 de VSMOW. La OIEA recomienda que las mediciones se sigan informando en la escala VSMOW-SLAP.

Las dos normas más antiguas se mantienen ahora en el OIEA y ya no se venden.

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 a partir del gas helio emitido por la desintegración radiactiva, estas mediciones se tomaron mediante espectroscopía de masas.

• Deuterium (Deuterium)²H / ¹H) – 155.76 ± 0,05 ppm, aproximadamente 1 en 6420 átomos de hidrógeno
• Tritio (Tritium)³H / ¹H) – 18,5 ± 3,6 TU = 1.85 ± 0,36×10^-11 ppm, medido el 16 de septiembre de 1976, aproximadamente 1 en 5.40×10¹⁶ átomos de hidrógeno
• Oxygen-18¹⁸O ¹⁶O) – 2005.20 ± 0,45 ppm, aproximadamente 1 en 499 átomos de oxígeno
• Oxygen-17¹⁷O ¹⁶O) – 379,9 ± 0,8 ppm, aproximadamente 1 en 2640 átomos de oxígeno

Bofetada

Basándose en los resultados de Gonfiantini (1978), la OIEA definió la escala delta con SLAP en −55,5‰ para ¹⁸O y −428‰ para ²H. 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 anclar la escala en dos puntos. A continuación se dan cifras experimentales.

• ²H / ¹H... 89.02 ± 0,05 ppm, δ:= −428.5 ± 0.4, alrededor de 1 en 11230 átomos
• ³H / ¹H... 374 ± 9 TU = 3.74 ± 0,09×10^-10 ppm, medido el 16 de septiembre de 1976, aproximadamente 1 en 2.67×10¹⁵ átomos
• ¹⁸O ¹⁶O... 1893.91 ± 0,45 ppm, δ:= −55.5 ¶, alrededor de 1 en 528 átomos
• ¹⁷O ¹⁶O... δ = −28,86 ± 0,1, alrededor de 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 especificación da los errores estándar en estas mediciones. La concentración de ²H no cambia en VSMOW2 también, pero se aumenta ligeramente en SLAP2. El OIEA informa:

• δ²H_SLAP2/VSMOW = −427,5 ± 0,3, (Comparar −428 libras para SLAP.)

On 6 July 2007, the tritium concentration was 3.5 ± 1.0 TU en VSMOW2, y 27,6± 1,6 TU en SLAP2.

GISP

• δ ²H _GISP = 189,5 ± 1,2 ±
• δ ¹⁸O _GISP = 24,66 ± 0,09
• δ ¹⁷O _GISP = 12,71 ± 0,1%

Aplicaciones

Reportes de proporciones isotópicas

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

Las variaciones en el contenido isotópico son útiles en hidrología, meteorología y oceanografía. Diferentes partes del océano tienen concentraciones isotópicas ligeramente diferentes: los valores de δ ¹⁸O varían desde –11,35 ‰ en el agua frente a la costa de Groenlandia hasta +1,32 ‰ en el Atlántico norte, y δ ^{2 Las concentraciones de H en las aguas profundas del océano varían desde aproximadamente –1,7 ‰ cerca de la Antártida hasta +2,2 ‰ en el Ártico. Las variaciones son mucho mayores en aguas superficiales que en aguas profundas.}

Medidas de temperatura

En 1954, el Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM) estableció la definición de Kelvin como 1/273.16 de la temperatura absoluta del triple punto de agua. Aguas con diferentes composiciones isotópicas tenían puntos triples ligeramente diferentes. Así, el Comité Internacional de Pesos y Medidas especifica en 2005 que la definición de la escala de temperatura kelvin se referiría al agua con una composición de la especificación nominal de VSMOW. La decisión fue acogida con beneplácito en 2007 por la Resolución 10 de la 23a CGPM. El triple punto se mide en células de triple punto, donde el agua se mantiene en su triple punto y se permite alcanzar el equilibrio con su entorno. Utilizando aguas ordinarias, la gama de mediciones interlaborativas del triple punto puede ser aproximadamente 250 μK. Con VSMOW, la gama interlaboratoria de mediciones del triple punto es sobre 50 μK.

Después de la redefinición 2019 de las unidades base SI, el kelvin se define en términos de la constante Boltzmann, que hace su definición completamente independiente de las propiedades del agua. El valor definido para la constante Boltzmann fue seleccionado para que el valor medido del punto triple VSMOW sea idéntico al valor definido previo, dentro de la precisión mensurable. Las células de triple punto siguen siendo un método práctico de calibrar los termómetros.