What is the difference between exothermic and endothermic reactions?

Exothermic reactions release energy to their surroundings as heat and have negative enthalpy change, while endothermic reactions absorb energy from the environment and have positive enthalpy change. Understanding this distinction is crucial for performing chemical reactions safely and efficiently, as some exothermic reactions can be explosive.

Why is enthalpy considered a state function?

Enthalpy is a state function because it depends only on the initial and final states of a reaction, not the path taken. Similar to how elevation depends only on height difference between base and peak regardless of route, the enthalpy change between the beginning and end of a reaction remains constant regardless of intermediate steps.

How does differential scanning calorimetry measure enthalpy change?

DSC measures enthalpy by comparing heat flow between a sample pan and an empty reference pan maintained at identical temperatures. The energy difference required to keep both pans at the same temperature is recorded as a function of temperature. This difference in heat flow is directly proportional to the enthalpy change of the sample.

What is the purpose of running a baseline measurement in DSC?

The baseline measurement is performed using empty reference and sample pans to establish a reference standard. This baseline is used to normalize all subsequent sample measurements, ensuring accurate results by accounting for any instrumental artifacts or thermal property differences between the pans themselves.

Why is a standard sample like synthetic sapphire used in DSC calibration?

A standard sample with known thermodynamic properties, such as a finely polished synthetic sapphire disk, is used to test instrument accuracy. Its thermal properties are well-documented over a wide temperature range, allowing researchers to verify that the DSC is functioning correctly before measuring unknown samples.

How is enthalpy change calculated from a DSC thermoanalytical curve?

Enthalpy change is calculated by determining the area under the curve on a heat flow versus temperature plot. Since heat capacity equals the change in enthalpy per degree at constant pressure, integrating the heat flow between two temperature limits yields the total enthalpy change for the process occurring in that temperature range.

What applications does DSC have beyond measuring chemical reaction enthalpy?

DSC can analyze phase transitions in polymers by measuring glass transition temperature and melting temperature, study freeze-drying properties of biological samples, and examine miscibility of mixtures. Homogeneous mixtures show one phase transition feature, while immiscible mixtures exhibit multiple transition features as each component transitions separately.

استخدام كالوريمتر المسح التفاضلي لقياس التغيرات في المحتوى الحراري

0 مشاهدات11:14 د

< p class = "jove_title" >1. قياس خط الأساس

وحدة التحكم ، وحدة القياس ، نظام الكمبيوتر ، ترموستات قبل 60 دقيقة تقريبا من بدء القياس. يجب توصيل غازات التطهير بالنظام.
ضع بوتقتين فارغتين (مع غطاء) في حامل العينة. يمكن اختيار مادة البوتقة بناء على نطاق درجة الحرارة المراد قياسها.
انقل الفرن إلى موضع القياس.
اضبط ظروف القياس (الغاز ، الفراغ).
ابدأ برنامج القياس.
تابع لإنشاء قياس خط الأساس باستخدام كتلة العينة = 0.
إعادة معايرة درجة الحرارة المفتوحة ، افتح برامج الحساسية.
ضبط برنامج درجة الحرارة ، درجة الحرارة الأولية ، معدل التسخين.
قم بتعيين الشروط الأولية وقيم عتبة درجة الحرارة. بعد تطهير النظام بغاز الأرجون / النيتروجين عدة مرات ، اسمح للغاز بالتدفق المستمر عبر النظام ، وضبط معدل التدفق إلى معدل ثابت (على سبيل المثال 50 مل / دقيقة).
ابدأ القياس.
تبدأ قياسات DSC في درجة حرارة الغرفة بعد التثبيت الأولي عند درجة حرارة البدء. يعد تثبيت درجة الحرارة خطوة مهمة لتجنب أي إزاحة بسبب الاختلاف في السعات الحرارية لوعاء العينة والوعاء المرجعي ومحتوياته. يتم استخدام معدل تسخين ثابت يبلغ 20 درجة مئوية / دقيقة ، تحت جو غاز الأرجون بشكل عام. يتم تحديد نطاق درجة الحرارة وفقا للعينة ونطاق درجة الحرارة المعنية.

< p class = "jove_title" >2. قياس العينة القياسي لضمان دقة النظام

افتح وحدة القياس بعد أن يبرد الفرن.
قم بإزالة البوتقة الفارغة المعينة كوعاء العينة.
اختر المعيار حسب نطاق درجة الحرارة المراد قياسه.
وزن المعيار. يتم استخدام قرص الياقوت الاصطناعي المصقول بدقة (الكربوراندوم ، أكسيد الألومنيوم) كمعيار للقدرة الحرارية والمحتوى الحراري للتحول. الياقوت مستقر على نطاق واسع من درجات الحرارة ، وقد تم تحديد سعته الحرارية بدقة على نطاق واسع من درجات الحرارة.
أدخل العينة القياسية بعناية في بوتقة العينة باستخدام الملقط.
انقل الفرن إلى موضع القياس.
اضبط ظروف القياس (الغاز ، الفراغ).
تابع على النحو التالي لدمج القياس القياسي مع قياس التصحيح:
استخدم كتلة العينة = × ملغ (كتلة العينة القياسية).
إعادة معايرة درجة الحرارة المفتوحة ، حساسية مفتوحة
استخدم نفس برنامج درجة الحرارة (يظل برنامج درجة الحرارة هو نفسه برنامج درجة الحرارة الأساسي)
ابدأ القياس.
قم بتعيين الشروط الأولية وقيم عتبة درجة الحرارة. بعد تطهير النظام عدة مرات ، اسمح لغاز التطهير بالتدفق المستمر عبر النظام ، وضبط معدل التدفق.
يجب أن تكون ظروف القياس (مثل معدل التسخين والغازات ونوع البوتقة) لخط الأساس والقياس القياسي اللاحق هي نفسها.
باستخدام نفس ملفات معايرة الحساسية ودرجة الحرارة ، يقوم برنامج البدء بقياس العينة القياسية.

< p class = "jove_title" >3. قياس العينة

تلميع أسطح العينة. ضع سطح العينة المسطح في مواجهة قاع المقلاة. استخدم حجم العينة الأمثل الذي يناسب المقلاة ، دون لمس الغطاء. يتم صقل العينة بدقة للحصول على اتصال حراري جيد مع وعاء العينة ، بحيث يمكن تحديد درجة الحرارة بدقة وتكون البيانات أقل ضوضاء.
قم بقياس كتلة العينة بدقة.
افتح وحدة القياس بعد أن يبرد الفرن.
قم بإزالة العينة القياسية من البوتقة.
نظف البوتقة باستخدام الكحول. أدخل العينة المراد قياسها في البوتقة لتحل محل المعيار.
اتبع الخطوة 3 لقياس العينة. يجب أن تكون ظروف القياس (مثل معدل التسخين والغازات ونوع البوتقة) لقياس خط الأساس والمعيار اللاحق وقياس العينة هي نفسها.
اتبع الخطوة 3 لإكمال القياس.

يتم تعريف تغيرات الطاقة التي تحدث أثناء التفاعلات الكيميائية بمصطلح المحتوى الحراري ، وهي مفهوم مهم في الديناميكا الحرارية. في حين أن المحتوى الحراري نفسه لا يمكن قياسه ، إلا أن التغيير في المحتوى الحراري في النظام يمكن أن يكون ، ويفسر الطاقة المنقولة بين النظام وبيئته أثناء عملية كيميائية عند ضغط ثابت.

توصف التفاعلات الكيميائية التي تنبعث منها الطاقة لمحيطها ، في المقام الأول كحرارة ، بأنها طاردة للحرارة ولها تغير سلبي في المحتوى الحراري. بعض التفاعلات الطاردة للحرارة السريعة تنبعث منها الكثير من الحرارة لدرجة أنها متفجرة. في تفاعلات أخرى ، يتم امتصاص الطاقة من البيئة. هذه التفاعلات ماص للحرارة ولها تغير إيجابي في المحتوى الحراري. من المهم فهم تغير المحتوى الحراري في التفاعل الكيميائي ، بحيث يمكن إجراء التفاعل بأمان وكفاءة. يمكن قياس تغير المحتوى الحراري تجريبيا باستخدام كالوريمتر المسح التفاضلي ، أو DSC. DSC هي طريقة تحليل ديناميكية حرارية تعتمد على مفهوم تدفق الحرارة. سيوضح هذا الفيديو كيفية استخدام كالوريمتر المسح التفاضلي لقياس المحتوى الحراري لتفاعل أكسيد عن طريق تحلل الكربونات.

المحتوى الحراري هو دالة حالة ، مما يعني أنه يعتمد فقط على الحالات الأولية والنهائية للتفاعل وهو مستقل عن المسار. الارتفاع هو مثال على دالة الحالة ، لأنه يعتمد فقط على فرق الارتفاع بين القاعدة والذروة. يسلك المتجول والمتسلق طرقا مختلفة إلى القمة. بغض النظر عن المسار الذي يستخدمونه للوصول إلى القمة ، فإن كلاهما يسافر في نفس الارتفاع العام. يتم تطبيق مفهوم مماثل على الديناميكا الحرارية ، حيث يتم استخدام التغيير في المحتوى الحراري بين بداية التفاعل ونهايته لفهم تغيرات الطاقة أثناء التفاعل.

يعرف قانون هيس المحتوى الحراري للتفاعل الكيميائي ، المشار إليه باسم ΔH ، على أنه مجموع المحتوى الحراري لكل ناتج تفاعل مطروحا منه مجموع المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة. يتم نشر المحتوى الحراري للمواد الشائعة ومتاح بسهولة. يمكن استخدام هذه القيم المنشورة لحساب تغير المحتوى الحراري في التفاعلات الشائعة. يوضح هذا المثال حساب المحتوى الحراري لتكوين غاز ثاني أكسيد النيتروجين من أكسيد النيتريك والأكسجين. يمكن العثور على قيم المحتوى الحراري لكل مكون في الرسم البياني واستبدالها في المعادلة. يمثل "n" عدد مولات كل مكون ، ويجب تضمينه في الحساب. هذا التفاعل له محتوى حراري سلبي ، مما يعني أنه طارد للحرارة.

يمكن أيضا قياس تغير المحتوى الحراري تجريبيا باستخدام DSC. يتكون إعداد قياس DSC من أحواض عينة ومرجعية منفصلة متصلة بمستشعرات درجة الحرارة. يتم التحكم في درجة حرارة وعاء العينة ، الذي يحتوي على المركب محل الاهتمام ، والوعاء المرجعي ، الذي يظل عادة فارغا ، بشكل مستقل باستخدام سخانات منفصلة ولكن متطابقة.

يتم زيادة درجة حرارة كلا المقالي خطيا. يتم تسجيل الفرق في كمية الطاقة ، أو تدفق الحرارة ، المطلوب للحفاظ على كلا المقاليين عند درجة حرارة ثابتة كدالة لدرجة الحرارة. على سبيل المثال ، إذا كان وعاء العينة يحتوي على مادة تمتص الطاقة عندما تخضع لتغيير الطور أو التفاعل ، فيجب أن يستخدم السخان الموجود أسفل وعاء العينة طاقة أكبر لزيادة درجة حرارة المقلاة أكثر من السخان الموجود أسفل الوعاء المرجعي الفارغ. يتناسب هذا الاختلاف في تدفق الحرارة طرديا مع المحتوى الحراري. الآن بعد أن تعلمت أساسيات المحتوى الحراري ، دعنا نرى كيفية إجراء قياس المحتوى الحراري.

لبدء قياس DSC، قم بتشغيل الجهاز عن طريق تشغيل وحدة التحكم ووحدة القياس ونظام الكمبيوتر ومياه التبريد. أولا، يتم إجراء قياس خط الأساس عن طريق تشغيل DSC مع حواض مرجعية وعينات فارغة. سيتم استخدام خط الأساس لتطبيع قياسات العينة لاحقا.

اختر مقلاة خاملة كيميائيا ومستقرة في نطاق درجة الحرارة المطلوبة. في درجات حرارة أعلى من 600 درجة ، يشيع استخدام أحواض البلاتين / الروديوم مع بطانات أكسيد الألومنيوم. ضع العينة الفارغة والمقالي المرجعية ذات الأغطية في حامل العينة.

تأكد من توصيل خطوط الغاز الخاملة بالنظام. قم بتطهير النظام ، واضبط التدفق على حالة ثابتة.

قم بتعيين معلمات الخط الأساسي باستخدام كتلة عينة من الصفر. أدخل نطاق درجة الحرارة ومعدل التسخين. اسمح للنظام بالاستقرار عند 40 درجة مئوية لمدة 10 دقائق لتجنب التعويضات الناتجة عن الاختلافات في الخصائص الحرارية للعينة والمقالي المرجعية. مع استقرار النظام ، يمكن قياس خط الأساس.

بعد ذلك ، يتم إجراء القياس المرجعي باستخدام عينة قياسية لاختبار دقة الأداة. افتح وحدة القياس بعد أن يبرد الفرن إلى درجة حرارة الغرفة ، وقم بإزالة وعاء العينات الفارغ. اترك المقلاة المرجعية في الأداة.

حدد عينة قياسية ذات خصائص ديناميكية حرارية معروفة في نطاق درجة الحرارة المطلوبة ، من أجل اختبار دقة الجهاز. يتم استخدام قرص الياقوت الصناعي المصقول بدقة كمعيار لأن خصائصه الحرارية يتم الإبلاغ عنها جيدا على نطاق واسع من درجات الحرارة.

قم بوزن العينة القياسية بميزان عالي الدقة. أدخل المعيار بعناية في وعاء العينات باستخدام الملقط. تأكد من استخدام نفس المقلاة المستخدمة في قياس خط الأساس. أدخل المقلاة في الأداة وأغلق حجرة العينة. اسمح لتدفق غاز التطهير بالاستقرار ، واستقرار المعيار في درجة حرارة الغرفة. أدخل كتلة العينة القياسية واضبط برنامج التسخين ، باستخدام نفس معلمات درجة الحرارة المستخدمة لقياس خط الأساس. ثم ابدأ القياس.

يمكن استخدام مخطط هذه العينة القياسية لتقييم دقة الأداة.

الآن بعد أن تم إجراء القياسات الأساسية والقياسية ، يمكن قياس العينة. افتح وحدة القياس بعد أن يبرد الفرن تماما ، وأزل العينة المرجعية من المقلاة. نظف المقلاة جيدا بالكحول ، حيث سيتم استخدامها لقياس العينة. أضف كمية صغيرة من العينة إلى المقلاة. بالنسبة للمواد الصلبة المسحوقة ، كما هو الحال مع كربونات الكالسيوم في هذا المثال ، تأكد من توزيع مسحوق العينة بالتساوي في قاع المقلاة.

بعد ذلك ، قم بوزن العينة والمقلاة. يجب أن تكون الكتلة مشابهة للعينة القياسية من أجل الدقة. قم بتشغيل قياس العينة باستخدام وزن العينة الدقيق ومعلمات التسخين المتطابقة لكل من قياسات خط الأساس والقياس.

يتم تقديم بيانات DSC على شكل مخطط لتدفق الحرارة ، أو q ، مقابل درجة الحرارة ، ويسمى أيضا منحنى التحليل الحراري. تظهر الأحداث الماصة للحرارة كميزات إيجابية ، بينما تظهر الأحداث الطاردة للحرارة كسمات سلبية.

قسمة تدفق الحرارة على معدل التسخين يعطي السعة الحرارية. تعرف السعة الحرارية ، أو CP ، بأنها كمية الطاقة المطلوبة لرفع درجة حرارة المادة بمقدار درجة مئوية واحدة. بافتراض الضغط الثابت ، فإن التغير في المحتوى الحراري لكل درجة يعادل السعة الحرارية للمادة. وبالتالي ، يتم الحصول على تغير المحتوى الحراري عن طريق حساب المساحة تحت المنحنى بين حدين لدرجة الحرارة. في هذا المثال ، يتم تحليل المحتوى الحراري لتحلل كربونات الكالسيوم لتكوين أكسيد الكالسيوم ، أو الجير الحي ، باستخدام DSC. تعرف هذه العملية باسم التكلس. يحدث تحلل كربونات الكالسيوم ماصة للحرارة ، كما يتضح من الذروة الإيجابية عند 853 درجة مئوية. يتم حساب المحتوى الحراري لتحلل كربونات الكالسيوم من المنطقة الواقعة تحت الذروة وهو حوالي 160 كيلوجول لكل مول. كانت القيمة المحسوبة عبر قانون هيس 178 كيلوجول لكل مول. قد تنشأ التناقضات بين القيم المقاسة والمحسوبة من الظروف غير المثالية وقطع القياس الملموسة.

المحتوى

الحراري هو مفهوم مهم في وصف تدفق الطاقة في العديد من الأنظمة المختلفة ، بصرف النظر عن التفاعلات الكيميائية. يمكن أيضا استخدام المحتوى الحراري لفهم تحولات الطور في المواد والمخاليط.

البوليمرات هي مواد تستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات. في هذا المثال ، تم تحليل هياكل البوليمر المشترك المسامية من البوليسترين ، PS ، والبولي فينيل بيريدين ، P4VP.

حدث تغير المحتوى الحراري أثناء انتقال الطور في كل مكون من مكونات البوليمر وتم تصويره باستخدام DSC. تصف درجة حرارة التزجج ، أو Tg ، النقطة التي تنتقل عندها المادة غير المتبلورة من حالة زجاجية صلبة إلى حالة سائلة لزجة ، وتظهر على شكل سلسلة من التلال في المسح.

تصف درجة حرارة الانصهار النقطة التي تنتقل عندها مادة بلورية صلبة إلى حالة سائل لزج ، ويتم تصورها على أنها ذروة ماص للحرارة. تم تصور درجة حرارة الانصهار لمكون بوليمر واحد في هذا المثال.

يمكن أيضا استخدام DSC لتحليل انتقالات الطور في العينات البيولوجية. في هذا المثال ، تم تحليل انتقال الطور لتعليق الخلية من أجل فهم خصائص التجفيف بالتجميد. يشيع استخدام التجفيف بالتجميد ، أو التجميد ، لتخزين العينات البيولوجية على المدى الطويل. وهنا، أعدت معلقات الخلايا وتجميدها في ظل ظروف مختلفة في أداة DSC. ثم تم تسخين المعلقات المجمدة وقياس Tg. في وقت لاحق ، تم تحليل الخلايا باستخدام المجهر الإلكتروني لتحديد حالة التجميد التي عززت بقاء الخلية. يساعد فهم عملية التجفيف بالتجميد عبر درجات حرارة انتقال الطور على تخصيص العملية للمساعدة في تحسين تخزين الخلايا. يستخدم المحتوى الحراري أيضا لدراسة الامتزاج ، أو قدرة الخليط على تكوين محلول متجانس. في هذا المثال، تم تحليل مخاليط البروتين باستخدام DSC لفحص قابلية امتزاج المخاليط المختلفة. قد يظهر الخليط غير القابل للامتزاج العديد من السمات الانتقالية في مسح DSC ، حيث سيخضع كل مكون لانتقال طور على حدة. في حين أن الخليط المتجانس يظهر ميزة انتقال طور واحد.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن المحتوى الحراري باستخدام كالوريمتر المسح التفاضلي. يجب أن تفهم الآن نظرية المحتوى الحراري وكيفية استخدام DSC لقياسها.

شكرا للمشاهدة!

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المصدر: مختبر الدكتور تيري تريت - جامعة كليمسون

كالوريمتر المسح التفاضلي (DSC) هو طريقة للتحليل الديناميكي الحراري تعتمد على طريقة التدفق الحراري ، حي…