استخدام كالوريمتر المسح التفاضلي لقياس التغيرات في المحتوى الحراري

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.

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!